JPH07212656A - 赤外線撮像素子 - Google Patents

赤外線撮像素子

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JPH07212656A
JPH07212656A JP6007390A JP739094A JPH07212656A JP H07212656 A JPH07212656 A JP H07212656A JP 6007390 A JP6007390 A JP 6007390A JP 739094 A JP739094 A JP 739094A JP H07212656 A JPH07212656 A JP H07212656A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 隣接画素間の差分信号のみを蓄積することに
より、容量を飽和させずにセンサの感度を上げ、ダイナ
ミックレンジを拡大する。 【構成】 赤外線の検出器1で発生した電荷の隣接画素
間の差分を引き算回路2で求めて蓄積容量3へ注入し積
分する。背景放射と検出器1のバイアス分の成分のほと
んどを引き算処理で相殺することができるので、十分な
バイアスをかけて感度と上げ、かつダイナミックレンジ
を拡大できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は赤外線撮像素子に関す
る。
【0002】
【従来の技術】図4はテレビジョン学会編『固体撮像デ
バイス』のP83に示されている従来の赤外線撮像素子
の摸式的構成図である。この赤外線撮像素子では、赤外
線の強度を電流の大小に変換する検出器1と、この電流
を蓄積する蓄積容量3とで構成された変換・蓄積部6が
一画素となり、この画素が行(図の横方向)及び列(図
の縦方向)方向の二次元にマトリクス状に配列されてい
る。各蓄積容量3の一端は画素毎にMOS型トランジス
タによる垂直スイッチ4に接続されている。垂直スイッ
チ4の他端は列方向に共通接続され、列毎に設けられた
MOS型トランジスタによる水平スイッチ5に接続さて
いる。水平スイッチ5の他端は出力端子100に共通接
続さている。水平シフトレジスタクは、水平スイッチ5
を順次に導通にし、各列方向の信号を出力端子100へ
導く。垂直シフトレジスタク8は、垂直スイッチ4を順
次に導通にし、各行単位で各画素の信号を列方向の共通
の水平スイッチ5へ導く。水平および垂直のシフトレジ
スタク7,8およびスイッチ5,4は水平及び垂直の読
み出し回路をなしている。
【0003】赤外線を電気信号に変換する光電変換素子
としてフォトダイオードを使った場合の変換・蓄積部6
の一例の回路図を図5に示す。フォトダイオード9に
は、赤外域の波長に感度を有するHdCgTeやInP
bなどの半導体を使う。赤外線の入射によりフォトダイ
オード9はその強度に応じた光成生電流を発生する。そ
の電流は、蓄積容量3に所定の時間にわてって積分さ
れ、蓄積される。続いて、垂直スイッチ4及び水平スイ
ッチ5を使った読出し回路により外部へ読出される。各
画素をなす変換・蓄積部6から読出し回路で各画素のデ
ータを読み出した後に蓄積容量3のリセットを行う。蓄
積容量3のリセットについては前掲の文献『固定撮像デ
バイス』に詳しく説明されている。
【0004】次に、光電変換素子としてボロメータを使
った場合について述べる。ボロメータは半導体や金属を
使った抵抗体で、温度による電気抵抗の変化が比較的大
きな材料でなっている。赤外線の吸収による温度上昇を
電気抵抗の変化として検出する素子である。図6は、検
出器1としてボロメータを使った場合の変換・蓄積部6
の一例の回路図である。ボロメータ10には定電流源1
2からバイアス電流が供給れており、ボロメータ10に
おける抵抗の変化を電圧へ変換している。そして、その
電圧をMOS型トランジスタ16で電流に変換し蓄積容
量3へ注入し、積分を行う。読出しは、図5に示したフ
ォトダイオードの場合と同様に、垂直スイッチ4と水平
スイッチ5とを順次に切り換えて行われる。
【0005】以上、蓄積部には専用の蓄積容量3を用意
し、読出しにはMOS型トランジスタスイッチ4,5を
使った回路方式の赤外線撮像素子を例に説明したが、公
知の様に読出しにCCDを使うことも可能であり、電荷
の蓄積に垂直CCDを使用することもできることを付け
加えておく。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】常温付近の背景や室内
を赤外線撮像装置で撮像した場合、赤外線撮像素子に入
射する赤外線エネルギの大部分は背景放射によるもので
あり、注目している物体から放射される赤外線、即ち信
号成分はエネルギ比率で全入射赤外線の1%程度しかな
いと言われている。したがって、図5に示すフォトダイ
オード9についても、その出力の大部分は背景放射成分
である。
【0007】一方、各画素における蓄積容量3には寸法
上の制約から上限があり、その限界は数PFである。よ
って1/30秒といったフルフレーム期間にわたって蓄
積容量3を飽和させることなく、フォトダイオート゛9
の出力電流を蓄積し、積分することは不可能であった。
この信号蓄積期間の制限から、従来の赤外線撮像素子の
感度とダイナミッククレンジの上限が定まっていた。
【0008】図6に示す回路では、定電流源12からボ
ロメータ10へ流すバイアス電流を大きくする程、感度
とS/Nを向上させることができるが、蓄積容量3の限
界からやはり制限が加わっていた。さらに、電圧、電流
変換用のMOS型トランジスタ16で発生するノイズの
影響を抑えるためには、トランジスタ16のドレイン電
流を大きくしなければならないのだが、同じく蓄積容量
3の限界から制限が加わるとととなり、感度及びS/N
の劣化が避けられない。このように従来の赤外線撮像素
子には感度、S/Nおよびダイナミックレンジに関し解
決すべき課題があった。
【0009】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに本発明は、赤外線を光電変換し該赤外線の強さに対
応した電気信号を生成する検出器と、該電気信号に対応
する電荷を蓄積する蓄積容量と、この蓄積容量に蓄積さ
れた電荷を読出す読出し回路とを備え、前記検出器およ
び蓄積容量は1対で1つの変換・蓄積部をなし、該変換
・蓄積部がそれぞれ画素をなして、2次元に複数個配列
されている赤外線撮像素子において、ある画素の前記検
出器の出力の前記電気信号と、該画素に隣接する画素の
前記検出器の出力の前記電気信号との差分を求め、前記
蓄積容量へ該差分を蓄積させる引き算回路を各画素に有
することを特徴とする赤外線撮像素子を提供する。
【0010】
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図1は本発明の赤外線撮像素子の一実施例を示す模
式的構成図である。この実施例は、赤外線を電流に変換
し、その電流を容量に蓄積して赤外線強度に比例した電
圧を出力する変換・蓄積部6を2次元にマトリクス状に
配列してなる。さらに、この赤外線撮像素子は、垂直ス
イッチ4、水平スイッチ5、垂直シフトレジスタ8及び
水平シフトレジスタ7でなる読み出し回路を備え、この
読出し回路を使って、変換・蓄積部6の蓄積容量3に蓄
積された電荷量に対応する電圧Vnを出力端子100か
ら外部へ出力する。変換・蓄積部6は、隣接画素と信号
の授受を行うために隣接画素の変換・蓄積部6に電気的
に接続されており、画素間の信号の差分を求める引き算
回路2を内蔵している。この引き算回路2における引き
算処理で、背景放射と検出器1のバイアス分の成分のほ
とんどを相殺できる。符号11は基準信号源を示す。図
2は、光電変換素子である検出器1としてフォトダイオ
ードを使った場合の1画素分の変換・蓄積部6の一具体
例を示す回路図である。電界効果トランジスタQ1,Q2
が第1のカレントミラー13aをなし、電界効果トラン
ジスタQ1,Q4が第2のカレントミラー13bをなし、
電界効果トランジスタQ5,Q6が第3のカレントミラー
14をなしている。フォトダイオード9は、赤外線を受
けて光成生電流Inを発生する(n=1,2,...,
N)。Inは前画素との差分を取るためと、次画素へ送
るためにカレントミラー13a,13bで二系統作られ
る。一系統のInはカレントミラー14で電流の方向を
逆転して次画素へ送られる。もう一系統のInは前画素
の光成生電流In-1との差が取られ,差電流In−In-1
が蓄積容量3へ注入され、積分される。
【0011】図3は、光電変換素子である検出器1とし
てボロメータを使った場合の1画素分の変換・蓄積部6
の一具体例を示す回路図である。電界効果トランジスタ
7,Q8,Q9,Q10 および定電流源22はトランスコ
ンダクタンスアンプ15をなしている。定電流駆動され
たボロメータ10は、赤外線を受けて電気抵抗を変化さ
せ、その電気抵抗の変化に比例してボロメータ10の両
端の電圧Vnが変化する。Vnは差動のトランスコンダク
タンスアンプ15の一方のゲートに接続されており、同
時に隣接画素(図3の左側に隣接していて、図示されて
いない画素)のもう一方のゲートにも接続されている。
トランスコンダクタンスアンプ15は、ゲート電圧
n、Vn-1を対応した電流In、In-1に変換し、両者の
差の電流(In−In-1)を蓄積容量3へ注入し、積分さ
せる。
【0012】以上、検出器1として二種類の光電変換素
子を用いた変換・蓄積部6で1つの画素を構成する回路
を挙げ、画素間の差分・蓄積動作を説明した。これらい
ずれの回路においても、行方向の右端(図2、図3にお
いて)の画素(n=1の画素であり、最端画素と称す
る。)には何らかの基準信号(図2の回路ではI0,図
3の回路ではV0)を与える必要がある。本発明では、
この基準信号源11として、固定電流源若しくは固定電
圧源または遮光した光電変換素子であるオプティカルブ
ラック素子を設ける。従って、図1において各行の右端
の画素、即ちn=1の画素(第1画素)は、基準信号源
11の出力の基準信号と差分をとっている。出力端子1
00から読出された画素信号Vnをそのまま表示装置に
提供しても画像として表示することはできず、差分をと
る前の画素信号に復元してから表示装置に供給しなけれ
ばならない。図7はその画素信号を復元する為の復元回
路を示すブロック図である。この復元回路は、信号に一
画素分の時間遅延を与える遅延回路17と、加算器18
と、基準信号発生器19と、スイッチ20とから構成さ
れている。図7の回路は、変換・蓄積部6を図2又は図
3の回路で構成した赤外線撮像素子に適用される。第n
画素の信号Vnは、遅延回路17を通った第n-1画素の信
号Vn-1と加算回路18で加算されることによって復元
される。基準信号発生器19は、赤外線撮像素子に内蔵
されている基準信号源11の出力信号に対応する信号V
0を発生させるものである。第1画素信号V1に対しては
スイッチ20をV0側に切り換えV0とV1とを加算する
ことになり、DCレベルも正しく復元することができ
る。
【0013】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の赤外線
撮像素子は、各画素の蓄積容量に隣接画素間の差分信号
のみを蓄積するので、光電変換素子に十分なバイアスを
かけ、かつフルフレーム期間の蓄積を行っても蓄積容量
が飽和することがない。よって、本発明によれば、感
度、S/N、ダイナミックレンジを大幅に向上させた赤
外線撮像素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の摸式的構成図。
【図2】図1の実施例における変換・蓄積部の一具体例
を示す回路図。
【図3】図1の実施例における変換・蓄積部の別の具体
例を示す回路図。
【図4】従来の赤外線撮像素子の摸式的構成図。
【図5】図4の赤外線撮像素子における変換・蓄積部の
一例を示す回路図。
【図6】図4の赤外線撮像素子における変換・蓄積部の
別の例を示す回路図。
【図7】図1の実施例における出力端子100から出力
される画素間差分信号から画素信号を復元する回路を示
す図。
【符号の説明】
1 検出器 2 引き算回路 3 蓄積容量 4 垂直スイッチ 5 水平スイッチ 6 変換・蓄積部 7 水平シフトレジスタ 8 垂直シフトレジスタ 9 フォトダイオード 10 ボロメータ 11 基準電源 12 バイアス電流源 100 出力端子 13a,13b,14 カレントミラー 15 トランスコンダクタンスアンプ 16 MOSトランジスタ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 赤外線を光電変換し該赤外線の強さに対
    応した電気信号を生成する検出器と、該電気信号に対応
    する電荷を蓄積する蓄積容量と、この蓄積容量に蓄積さ
    れた電荷を読出す読出し回路とを備え、前記検出器およ
    び蓄積容量は1対で1つの変換・蓄積部をなし、該変換
    ・蓄積部がそれぞれ画素をなして、2次元に複数個配列
    されている赤外線撮像素子において、ある画素の前記検
    出器の出力の前記電気信号と、該画素に隣接する画素の
    前記検出器の出力の前記電気信号との差分を求め、前記
    蓄積容量へ該差分を蓄積させる引き算回路を各画素に有
    することを特徴とする赤外線撮像素子。
  2. 【請求項2】 前記2次元に配列された前記画素は行方
    向および列方向において直線上に配列されてマトリクス
    をなしおり、2次元に配列された前記画素のうちで行方
    向の片端に位置する第1画素の検出器の出力の前記電気
    信号との差分を前記引き算回路でとるための、基準とな
    る電源又はオプティカルブラック画素を有することを特
    徴とする請求項1に記載の赤外線撮像素子。
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