JPH0265482A - 焦電型赤外線撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、固体走査回路を用いた焦電型赤外線撮像装置
に関するものである。

従来の技術 第５図（ａ）、　　（ｂ）は、ＣＣＤ走査回路上に、焦
電型センサを接続した従来の焦電型ＣＣＤ（パイロＣＣ
Ｄ）の構成および従来の信号読み出し方式（信号注入方
式）を説明するための単位画素の等価回路と駆動ポテン
シャルの概念図である。

焦電型センサ５１には光チョッパの開閉に応じて正と負
の電Ｒ５２，５３が生じる。ところが、５ｉ−ＣＣＤて
はどちらか一方の電荷のみを読み出すように動作する。

そのため両方の符号の入力信号を受は入れられるように
、従来例では、ＣＯＤの転送可能な最大電荷量の半分を
バイアス電荷５４として光チョッパの開閉に同期して電
気的に注入していた。

第５図（ａ）、　　（ｂ）において、光チョッパの開閉
に応じて焦電型センサ５１で発生した正負の信号電荷５
２．５３は読み出しゲート５５を介してＣＯＤ走査部５
６に転送される。このとき、光チョッパの開閉に同期さ
せて、−度人カダイオード部５７をリセットレベルにリ
セットさせた後、電荷注入機構５８によってバイアス電
荷５４を注入した状態で前記入力ダイオード部５７に焦
電センサの正負両極の信号電荷５２．５３をｖ！ｆ！さ
せ、−定蓄積時間後、前記ゲート５５を介して、ＣＣＤ
走査部５６に読み出す動作をする（例えば、Ｒ，ワラト
ン（ｕａｔｔｏｎ）、ｅｔ　ａｔ、赤外線物理（Ｉｎｆ
ｒａｒｅｄ　Ｐｈｙｓ）、Ｖｏｌ、２２　ｐｐ、２５９
〜２７５．１９８２）。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、従来例のように各画素ごとにバイアス電
荷注入のための入力機構（例えばダイオード・カットオ
フ法）を付加すると以下の問題が発生した。

（１）、各画素ごとのバイアス電荷が不均一になる。

（２）、単位画素の配線数が増加し、歩留まり低下。

（３）、単位画素のセルサイズが大きくなる。

バイアス２荷が不均一であるため画像上での固定パター
ンノイズが多く、実用的な画像を得るためには各画素ご
とに外部信号処理回路が必要となり、システム全体が大
型となり、回路の煩雑さが伴った。

また、単位画素の配線の増加と、セルサイズの増加によ
り、実用的な解像度を持つ画素数（４００’Ｘ５００’
）を得ようとすると非常に困難な面があった。

本発明は、かかる従来の課題点に鑑みてなされたもので
、焦電型赤外線撮像装置の信号読み出し方式の改善を図
る新規なる焦電型赤外線撮像装置を提供することを目的
としている。

問題を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するため、バイアス電荷の入
力機構を画素部外に設け、前記電荷入力機構から注入し
た電荷を走査ラインによりダイオード領域に転送し、前
記注入電荷と前記ダイオード領域に蓄積された電荷を混
合することによって、赤外光の照射により生じた前記焦
電型赤外線センサの両方の極性の信号電荷を前記走査ラ
インに読み出すものである。

作用 本発明は、上記構成により、一つの電荷入力機ｒ＼五い
）憎魅／ｒ−１石専＾ｌでノフ７雷露カは入すスことに
よって、各画素のバイアス電荷が均一になり、大型で煩
雑な外部信号処理を不要とすることができる。

また、画素部外に電荷注入機構を設けているため、単位
画素のセルサイズは変わらず、画素部の配線は増加しな
いため実用的な解像度を得ることができる。

実施例 第１図は、本発明の一実施例の焦電型ＣＣＤの画素部の
断面構造を示したものである。ここで、光チョッパによ
り断続された赤外線画像ｌが上面電極２に入射し、焦電
センサ３に吸収され焦電センサ３の温度がチョッパの開
閉に伴って上ドする。

焦電センサ３は温度変化により両端の電極に電荷を発生
するため、チョッパの開閉に伴って画素電極４に正・負
の電荷を発生する。この信号電荷はＡｕバンブ５とＡＩ
注入電極６を介してＣＯＤの蓄積ダイオード７に注入さ
れ、蓄積ダイオード７内のバイアス電荷を変調する。一
定時閏蓄積ダイオード７に蓄積された電荷とバイアス電
荷が混合された後、読み出しゲート８を介してＣＣＤ転
送段９に読み出されて画像信号として外部に取り出され
る。バイアス電荷の注入は、予めＣＣＤ転送段９にバイ
アス電荷を転送しておき、読み出しゲート８を介して蓄
積ダイオード７に導入する。その他の構成要素として、
１０はＳｉ基板、１１はゲート酸化膜、１２はフィール
ド酸化膜、１３はチャンネルストップ、８，１４はポリ
シリコンで形成された読み出しゲート電極および転送電
極、１５は５ｉ０２膜等で形成される層間絶縁膜である
。

ここで、第２図を用いて本発明の動作を簡単に説明する
。第２図（ａ）は、単位画素の等価回路を示し、第２図
（ｂ）は、その動作時のゲート下の電位を表わしている
。入力ダイオード２１に焦電センサ２２の信号電荷を蓄
積しているときは、読み出しゲート２３下はＯＦＦレベ
ルで、転送段２４とは分離されている。この蓄積時間の
間に転送段２４を使って各画素の転送電極２５の下にバ
イアス電荷２６を転送している。信号の読み出し時には
、読み出しゲート２３下をＲｅａｄレベルにするととも
に転送電極２５下をＭ　ｉ　ｘレベルにして、バ、イア
スミ荷２６と入力ダイオード２１中の蓄積電荷とを足し
合わせる。読み出しゲート２３下をＲｅａｄレベルにし
、転送電極２５下をＲｅａｄレベルにすることによって
、足し合わされた電荷が転送段２４に読み出される。こ
の時、入力ダイオード２１の電位はＲｅａｄレベルと同
電位になる。

これをＲｅ５ｅｔレベルと呼ぶ。読み出し終了後直ちに
読み出しゲート２３下をＯＦＦレベルにし、入力ダイオ
ード２１と転送段２４を分離し、各画素の読み出した電
荷を転送段２４内を紙面垂直方向に転送し、画像信号と
して取り出している。−方入力ダイオード２１では、読
み出しゲート２３をＯＦＦレベルにした時点から次の電
荷蓄積が始まり、上記の動作を繰り返す。

次に、第３図（ａ）〜（ｅ）のタイムチャートをもとに
本実施例の駆動について説明する。

ここで転送パルスは転送ゲート２５に印加する電圧で、
読み出しパルスは読み出しゲート２３に印加する電圧で
ある。光チョッパの開閉とともに焦電センサに正負のＭ
、Ｈを生ずる。焦電センサが他に接続されていない場合
は第３図（ｄ）のように平均レベルを中心にした正負交
互の信号となる。

ここで、信号の読み出しのタイミングを、チョッパが間
になる直前とチョッパが閏になる直前に同期させること
により、チョッパが閏の時にはＲｅ５ｅｔレベルから正
電荷、チョッパが閉の時にはＲｅ３；ｅＬレベルから負
電荷が蓄積し、かつ正負とも最大の電荷量を蓄積できる
。バイアス電荷の電子数をＮ、信号電荷の電子数を±ｎ
として、信号読み出し時にバイアス電荷ｑＮと信号電荷
±ｑｎを足し合わせると、チョッパ閉時にはバイアス電
荷と正信号の引算ｑ（Ｎ−ｎ）となり電荷量は少なくな
り、チョッパ閉時にはバイアス電荷と負信号の足し算ｑ
（Ｎ＋ｎ）となり電荷量は大きくなる。

バイアス電荷の量を正信号よりも大きな値とすることに
よフて正負両方の信号を読み出すことができる。本実施
例では、転送段へのバイアス電荷の転送と画像信号電荷
の転送を同時に同じクロックパルスにより実現しており
、転送時間を有効に使用している。

バイアス電荷を注入・転送する手段として幾通りか考え
られ、そのうちの３種類の平面等価回路を第４図（ａ）
〜（ｃ）に示す。基本構成は、各画素の蓄積ダイオード
４１が縦ＣＣＤ４２につながれており、それぞれの縦Ｃ
ＣＤ４２が横ＣＣＤ４３につながれ、横ＣＣＤ４３の終
端に出力アンプ４４が設けられている。縦ＣＣＤ４２お
よび横ＣＣＤ４３を順次転送して行くことによって画像
信号を出力している。

第４図（ａ）は、各縦ＣＣＤ４２に電荷注入機構４５を
設けてあり、画像信号転送時に、縦ｃｃＤ４２に同期さ
せてバイアス電荷を注入している。

画像信号を転送し終わると同時にバイアス電荷の注入も
終了している。この構成は、従来のＣＯＤの縦ＣＣＤに
電荷注入機構を設けただけで、設計・駆動とも容易に実
現できた。

第４図（ｂ）は、一方の端に電荷注入機構４５を有する
注入用横ＣＣＤ４６を設け、横ＣＣＤ４６内にバイアス
電荷を注入してから、各縦ＣＯＤ４２にバイアス電荷を
順次転送している。この場合も画像信号転送時にバイア
ス電荷を転送している。この構成は、一つの電荷注入機
構で全画素のバイアス電荷を発生しているため、パター
ンノイズの非常に少ない画像が得られた。

第４１１ｍ（ｃ）は、第４図（ｂ）の注入用横ＣＣＤ４
６と積ＣＣＤ４３を兼用した例で、横ＣＣＤ４３に設け
た電荷注入機構４５から横ＣＣＤ４３内にバイアス電荷
を注入し、このバイアス電荷を順次各縦ＣＣＤ４２内の
下方向に転送している。

画像信号は、縦Ｃ０Ｄ４２を上方向に転送して出力して
いる。この構成は、従来の縦ＣＣＤが４相駆動のＣＣＤ
と同じ構成であり、設計が非常に容易で第４［ｆｆ１（
ｂ）と同様パターンノイズがきわめて少なかった。ただ
し、駆動が複雑であるという難点があった。

第１図の実施例では、焦電センサとＳｉ基板とをバンブ
で貼合わせたへイブリッド構造であるが、Ｓｉ基板上に
直接焦電薄膜を形成するモノリシック構造としても全く
同じ効果が得られる。

ここでは、走査回路としてＣＯＤを用いて説明したが、
同様の効果はＭＯＳ、ＣＰＤ等の他の固体走査回路を用
いても得られる。

発明の効果 本発明においては、一つの電荷入力機構から複数の画素
へバイアス電荷を注入しており、電荷注入機構を画素部
外に設けていることにより以下の効果が得られた。

（１）、各画素のバイアス電荷が均一になった。

（２）、単位画素の配線数が少ない。

（３）、画素部の駆動は簡単。

（４）、単位画業のセルサイズは従来通り。

このため、実用的な解像度を持ち、固定パターンノイズ
が小さく、外部信号処理回路を必要としない焦電型赤外
線撮像装置を実現することができた。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は、本発明の一実施例を示し、第１図は焦電
型撮像装置の単位画素の断面図、第２図は画素部の動作
を示す概略図、第３図は画素部の駆動を示す概略図、第
４図は全体の等価回路を示す平面図、第５図は、従来例
を示し、単位画素の等価回路と駆動ポテンシャルの概念
図である。 ｌ・・・赤外画像　３焦電型赤外線センサ　７・・・ダ
イオード領域　１０・・・半導体基板　９・・・走査ラ
イン２６・・・バイアス電荷　４５・・・電荷入力機構
代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名第　１　図 １赤外画イ象 第 図 （ａ）暮価口路 （ｂ）初イ箕ホ″テンンセル 第 図 （ａ） 第 図 電荷 第 図 （ａ）　　々￥イＩＴ］［＝］賂 （ｂ）動作ボテシンヤル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に、前記半導体基板と反対の導電形
   のダイオード領域と、前記ダイオード領域に蓄積された
   信号電荷を走査する走査ラインと、前記走査ラインに電
   荷を注入するための電荷入力機構とを有し、前記ダイオ
   ード領域と接続する電極上に、焦電型赤外線センサが形
   成され、前記赤外線センサが光チョッパの開閉に応じて
   正と負の信号電荷を生じる焦電型赤外線撮像装置におい
   て、前記電荷入力機構から注入した電荷を前記走査ライ
   ンにより前記ダイオード領域に転送し、前記注入電荷と
   前記ダイオード領域に蓄積された電荷を混合することに
   よって、赤外光の照射により生じた前記焦電型赤外線セ
   ンサの両方の極性の信号電荷を前記走査ラインに読み出
   すことを特徴とする焦電型赤外線撮像装置。
2. （２）走査ラインが複数個配列されていて、それぞれの
   前記走査ラインの一方の端に電荷入力機構が設けられて
   おり、前記電荷入力機構から前記走査ラインに電荷を注
   入することを特徴とする請求項１記載の焦電型赤外線撮
   像装置。
3. （３）複数個配列された縦走査ラインと、前記各縦走査
   ラインに接続された横走査ラインと、前記横走査ライン
   の一方の端に設けた電荷入力機構とを有し、前記電荷入
   力機構により注入された電荷を前記横走査ラインによっ
   て各前記縦走査ラインに注入することを特徴とする請求
   項１記載の焦電型赤外線撮像装置。
4. （４）信号読み出し用の横走査ラインと電荷注入用の横
   走査ラインが共通で、各縦走査ラインおよび前記横走査
   ラインを順次走査することによって信号を読み出すこと
   を特徴とする請求項３記載の焦電型赤外線撮像装置。