JPH0937154A - 赤外線撮像素子 - Google Patents
赤外線撮像素子Info
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- JPH0937154A JPH0937154A JP7178703A JP17870395A JPH0937154A JP H0937154 A JPH0937154 A JP H0937154A JP 7178703 A JP7178703 A JP 7178703A JP 17870395 A JP17870395 A JP 17870395A JP H0937154 A JPH0937154 A JP H0937154A
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- Japan
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- transistor
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- imaging device
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- 238000003331 infrared imaging Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000001444 catalytic combustion detection Methods 0.000 description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 バイアス電流を蓄積させない回路を設けるこ
とで、バイアス電流を増加可能にし、その結果ノイズを
低減し、Ｓ／Ｎを向上させる。 【構成】 赤外線の検出器１で発生する信号電圧を電流
に変換するトランジスタ２を有し、前記検出器１には、
トランジスタ２の動作点を決めるためバイアス電圧が印
加されている。さらに、トランジスタ２に重畳されてい
るバイアス電流を相殺するように電流を発生させる特性
のそろったトランジスタ３，４，５を設ける。これによ
り蓄積容量６にはほとんどバイアスを蓄積させなくでき
るので、本来のバイアスそのものを増加させトランジス
タで発生するノイズを低減できる。
とで、バイアス電流を増加可能にし、その結果ノイズを
低減し、Ｓ／Ｎを向上させる。 【構成】 赤外線の検出器１で発生する信号電圧を電流
に変換するトランジスタ２を有し、前記検出器１には、
トランジスタ２の動作点を決めるためバイアス電圧が印
加されている。さらに、トランジスタ２に重畳されてい
るバイアス電流を相殺するように電流を発生させる特性
のそろったトランジスタ３，４，５を設ける。これによ
り蓄積容量６にはほとんどバイアスを蓄積させなくでき
るので、本来のバイアスそのものを増加させトランジス
タで発生するノイズを低減できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は赤外線撮像素子に関し、
特に、高Ｓ／Ｎ、広ダイナミックレンジな赤外線撮像素
子に関する。
特に、高Ｓ／Ｎ、広ダイナミックレンジな赤外線撮像素
子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の赤外線撮像素子の等価回路として
は、例えば図３に示されるよう構成をしていた。このよ
うな構成は、アンクールド インフラレッド フォーカ
ル プレーン アレイ ハビング １２８×１２８ サ
ーモパイル デテクター エレメンツ「Ｕｎｃｏｏｌｅ
ｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒ
ｒａｙ ｈａｖｉｎｇ １２８×１２８ ｔｈｅｒｍｏ
ｐｉｌｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｅｌｅｍｅｎｔｓ」（Ｓ
ＰＩＥ ｖｏｌ．２２６９ Ｐ．４５５ １９９４）の
論文に記載されている。
は、例えば図３に示されるよう構成をしていた。このよ
うな構成は、アンクールド インフラレッド フォーカ
ル プレーン アレイ ハビング １２８×１２８ サ
ーモパイル デテクター エレメンツ「Ｕｎｃｏｏｌｅ
ｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒ
ｒａｙ ｈａｖｉｎｇ １２８×１２８ ｔｈｅｒｍｏ
ｐｉｌｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｅｌｅｍｅｎｔｓ」（Ｓ
ＰＩＥ ｖｏｌ．２２６９ Ｐ．４５５ １９９４）の
論文に記載されている。
【０００３】本図において、サーモパイル１を赤外線検
出器に使用し、その出力に読み出しトランジスタ２を接
続している。具体的には、赤外線の強度を温度差に変換
しその温度差を電圧に変換するサーモパイル又はサーモ
カップルを使った検出器１と、発生した電圧を電流に変
換する変換トランジスタ２と、トランジスタ２のドレイ
ン端子に接続されてこの電流を蓄積する蓄積容量ＣINT
６で一つの画素が構成される。また、変換トランジスタ
の動作点を決めるために、検出器１に直列にバイアス電
圧ＶBIASが印加されている。
出器に使用し、その出力に読み出しトランジスタ２を接
続している。具体的には、赤外線の強度を温度差に変換
しその温度差を電圧に変換するサーモパイル又はサーモ
カップルを使った検出器１と、発生した電圧を電流に変
換する変換トランジスタ２と、トランジスタ２のドレイ
ン端子に接続されてこの電流を蓄積する蓄積容量ＣINT
６で一つの画素が構成される。また、変換トランジスタ
の動作点を決めるために、検出器１に直列にバイアス電
圧ＶBIASが印加されている。
【０００４】蓄積容量６に蓄積された電荷はＣＣＤ又は
ＭＯＳスイッチ機構を介して外部へ読出されるが、ＣＣ
Ｄを使う場合には、蓄積容量６を垂直ＣＣＤ２０と併用
することもでき、図３はその場合を示している
ＭＯＳスイッチ機構を介して外部へ読出されるが、ＣＣ
Ｄを使う場合には、蓄積容量６を垂直ＣＣＤ２０と併用
することもでき、図３はその場合を示している
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図３において、装置の
Ｓ／Ｎを左右するノイズは、検知器１の等価的な抵抗に
発生するジョンソンノイズと変換トランジスタ２のチャ
ネル抵抗に発生するジョンソンノイズでほぼ決ってい
た。周知のように抵抗Ｒに発生するジョンソンノイズＶ
R は、
Ｓ／Ｎを左右するノイズは、検知器１の等価的な抵抗に
発生するジョンソンノイズと変換トランジスタ２のチャ
ネル抵抗に発生するジョンソンノイズでほぼ決ってい
た。周知のように抵抗Ｒに発生するジョンソンノイズＶ
R は、
【０００６】
【数１】 となる。
【０００７】一方、ＭＯＳトランジスタのチャネル抵抗
に発生するノイズの入力（ゲート側）換算値ＶD は、Ｍ
ＯＳトランジスタを弱い反転領域で動作させた場合、
に発生するノイズの入力（ゲート側）換算値ＶD は、Ｍ
ＯＳトランジスタを弱い反転領域で動作させた場合、
【０００８】
【数２】 となる。図３においては、検出器１の出力電圧が非常に
小さいため、ＩD はバイアス電圧ＶBIASで自由に決める
ことができる。ＩD を大きくすれば、ノイズＶDを小さ
くできるが、そのＩD は所定の時間に渡って、蓄積容量
６ ＣINT に蓄積できる値のために限界を有している。
すなわち、ＣINT はその面積、厚み、材料などで容量や
耐圧に制限を受けており、通常用いられる数値として、
容量２ｐＦ、耐圧１０Ｖを使った場合、３３ｍｓ（ＴＶ
信号の１フレーム時間に相当）の時間において、蓄積で
きる最大電流を求めると６００ｐＡとなり、（２）式に
よるとノイズＶD ＝９５０ｎＶ／√Ｈｚとなる。
小さいため、ＩD はバイアス電圧ＶBIASで自由に決める
ことができる。ＩD を大きくすれば、ノイズＶDを小さ
くできるが、そのＩD は所定の時間に渡って、蓄積容量
６ ＣINT に蓄積できる値のために限界を有している。
すなわち、ＣINT はその面積、厚み、材料などで容量や
耐圧に制限を受けており、通常用いられる数値として、
容量２ｐＦ、耐圧１０Ｖを使った場合、３３ｍｓ（ＴＶ
信号の１フレーム時間に相当）の時間において、蓄積で
きる最大電流を求めると６００ｐＡとなり、（２）式に
よるとノイズＶD ＝９５０ｎＶ／√Ｈｚとなる。
【０００９】また、検出器の等価抵抗Ｒを２００ｋΩと
すると、（１）式によりノイズＶR＝５８ｎＶ／√Ｈｚ
となり、変換トランジスタのノイズが図３に示した回路
全体を支配していることになる。
すると、（１）式によりノイズＶR＝５８ｎＶ／√Ｈｚ
となり、変換トランジスタのノイズが図３に示した回路
全体を支配していることになる。
【００１０】これは、検知器性能を最大限に引出してい
るとは言えず、変換トランジスタのためにＳ／Ｎの劣化
を発生するという問題を有していた。
るとは言えず、変換トランジスタのためにＳ／Ｎの劣化
を発生するという問題を有していた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の赤外線撮像素子
は、赤外線の強度に応じた電圧信号を生成する検出器と
その電圧信号にバイアス電圧を加えた上で電流に変換す
る変換トランジスタと、バイアス電圧のみを電流に変換
する変換トランジスタと、この電流と前記信号電流との
差分を求め蓄積容量へ蓄積させる回路を備えている。
は、赤外線の強度に応じた電圧信号を生成する検出器と
その電圧信号にバイアス電圧を加えた上で電流に変換す
る変換トランジスタと、バイアス電圧のみを電流に変換
する変換トランジスタと、この電流と前記信号電流との
差分を求め蓄積容量へ蓄積させる回路を備えている。
【００１２】
【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画素部分の一実
施例である。赤外線の強度を電圧信号に変換する検出器
１の一方が変換トランジスタ２のゲートに接続され、他
方にはバイアス電圧ＶBIASが加えられる。この結果変換
トランジスタ１のドレインには、ＩB ＋ＩS （バイアス
分＋信号分）の電流が流れる。また、バイアス電圧はそ
のまま変換トランジスタ３のゲートにも印加されてお
り、そのドレインにＩB1を発生させる。ＩB1はカレント
ミラー用トランジスタ４，５でＩB2に変換され、蓄積容
量６にはＩS ＋ΔＢ（ΔＢ＝ＩB −ＩB2）が蓄積される
ことになる。
る。図１は本発明の赤外線撮像素子の一画素部分の一実
施例である。赤外線の強度を電圧信号に変換する検出器
１の一方が変換トランジスタ２のゲートに接続され、他
方にはバイアス電圧ＶBIASが加えられる。この結果変換
トランジスタ１のドレインには、ＩB ＋ＩS （バイアス
分＋信号分）の電流が流れる。また、バイアス電圧はそ
のまま変換トランジスタ３のゲートにも印加されてお
り、そのドレインにＩB1を発生させる。ＩB1はカレント
ミラー用トランジスタ４，５でＩB2に変換され、蓄積容
量６にはＩS ＋ΔＢ（ΔＢ＝ＩB −ＩB2）が蓄積される
ことになる。
【００１３】上記４個のトランジスタ２〜５のそれぞれ
の特性をそろえることにより、バイアス電流をキャンセ
ルでき、ΔＢを十分小さくすることができる。４個のト
ランジスタをそれぞれ特性をそろえることは、集積回路
においては、比較的容易に実現できる。
の特性をそろえることにより、バイアス電流をキャンセ
ルでき、ΔＢを十分小さくすることができる。４個のト
ランジスタをそれぞれ特性をそろえることは、集積回路
においては、比較的容易に実現できる。
【００１４】ここで、ε＝ΔＢ／ＩB ＝（ＩB −ＩB2）
／ＩB とすると、このεを１％以下に抑えたとすると、
ＩS は非常に小さいので、ＩB を従来の１００倍にする
ことが可能になる。このとき前記ノイズＶD は９５ｎＶ
／√Ｈｚとなり、ノイズを１／１０にできる。さらに、
εを０．１％にできた場合、ＶD は３０ｎＶ／√Ｈｚと
なり、ほぼ検出器１のノイズ量と等価にできる。
／ＩB とすると、このεを１％以下に抑えたとすると、
ＩS は非常に小さいので、ＩB を従来の１００倍にする
ことが可能になる。このとき前記ノイズＶD は９５ｎＶ
／√Ｈｚとなり、ノイズを１／１０にできる。さらに、
εを０．１％にできた場合、ＶD は３０ｎＶ／√Ｈｚと
なり、ほぼ検出器１のノイズ量と等価にできる。
【００１５】
【数３】 よって、図１の構成を用いると、Ｓ／Ｎは、ＶD ／
ＶD ′＝１４．５となるため、約２３ｄＢも改善される
こととなる。
ＶD ′＝１４．５となるため、約２３ｄＢも改善される
こととなる。
【００１６】図２は、図１の赤外線撮像素子を用いて、
２次元画像用ＣＣＤ撮像デバイスを構成した図を表わし
ている。
２次元画像用ＣＣＤ撮像デバイスを構成した図を表わし
ている。
【００１７】２次元の画像情報を時系列の信号として取
り出す方式には、種々あるが、本図はいわゆるフレーム
転送（ＦＴ）方式を用いている。
り出す方式には、種々あるが、本図はいわゆるフレーム
転送（ＦＴ）方式を用いている。
【００１８】すなわち、ＦＴ方式は、水平ＣＣＤと垂直
ＣＣＤのアレイを構成する。このアレイは、チャネルス
トップ拡散層によって電荷転送のチャネルを垂直方向に
分割し、水平画素数に対応する画素列を形成する。
ＣＣＤのアレイを構成する。このアレイは、チャネルス
トップ拡散層によって電荷転送のチャネルを垂直方向に
分割し、水平画素数に対応する画素列を形成する。
【００１９】一方、このチャネルストップに直交して転
送電極群を配列する。この電極群は上下二つにグルーピ
ングされ、上半分を受光ＣＣＤ、下半分を信号電荷を一
時蓄積するＣＣＤとして使われる。水平ＣＣＤでは、蓄
積領域から信号電荷を時系列の形で出力端に導くもので
ある。
送電極群を配列する。この電極群は上下二つにグルーピ
ングされ、上半分を受光ＣＣＤ、下半分を信号電荷を一
時蓄積するＣＣＤとして使われる。水平ＣＣＤでは、蓄
積領域から信号電荷を時系列の形で出力端に導くもので
ある。
【００２０】具体的には、本図において、２次元状に配
列された本発明の赤外線撮像素子（画素）７と、垂直Ｃ
ＣＤ８、蓄積部９、水平ＣＣＤ１０、出力アンプ１１か
ら構成される。画素毎の蓄積容量は垂直ＣＣＤと併用さ
れている。
列された本発明の赤外線撮像素子（画素）７と、垂直Ｃ
ＣＤ８、蓄積部９、水平ＣＣＤ１０、出力アンプ１１か
ら構成される。画素毎の蓄積容量は垂直ＣＣＤと併用さ
れている。
【００２１】φＲは蓄積容量６をリセットするタイミン
グを決めるパルスで、ＶR はリセット電圧である。前記
ΔＩB はトランジスタ４，５のバラツキにより正負のい
ずれにもなりうるのでＶR は、蓄積容量６をΔＩB の正
負のどちらにおいてもリセットできるよう例えば、ＶDD
の中心電圧ＶDD／２にしておかなければならない。
グを決めるパルスで、ＶR はリセット電圧である。前記
ΔＩB はトランジスタ４，５のバラツキにより正負のい
ずれにもなりうるのでＶR は、蓄積容量６をΔＩB の正
負のどちらにおいてもリセットできるよう例えば、ＶDD
の中心電圧ＶDD／２にしておかなければならない。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の赤外線撮
像素子は信号電圧を電圧−電流変換するトランジスタの
バイアス分をキャンセルし、極力蓄積させないため、本
来のバイアス電流を増やすことができ、Ｓ／Ｎを大幅に
向上できるという効果を有する。
像素子は信号電圧を電圧−電流変換するトランジスタの
バイアス分をキャンセルし、極力蓄積させないため、本
来のバイアス電流を増やすことができ、Ｓ／Ｎを大幅に
向上できるという効果を有する。
【図１】本発明の一実施例の一画素の等価回路を示す図
である。
である。
【図２】図１の赤外線撮像素子を用いた２次元画像用Ｃ
ＣＤ撮像デバイスの構成を示す図である。
ＣＤ撮像デバイスの構成を示す図である。
【図３】従来の赤外線撮像素子の一画素の等価回路を示
す図である。
す図である。
【符号の説明】 １ 検出器 ２ 信号用変換トランジスタ ３ バイアス用変換トランジスタ ４，５ カレントミラー ６ 蓄積容量 ７ 画素 ８ 垂直ＣＣＤ ９ 蓄積部 １０ 水平ＣＣＤ １１ 出力アンプ ２０ ＣＣＤ
Claims (6)
- 【請求項１】 赤外線強度に対応した電圧を発生する検
出器と、前記電圧を電流に変換する第１のトランジスタ
と、前記第１のトランジスタの電流信号を蓄積する蓄積
容量とを一つの画素とする赤外線撮影素子において、前
記検出器に印加されるバイアス電圧による前記第１のト
ランジスタに流れるバイアス電流を相殺する電流制御手
段を設けたことを特徴とする赤外線撮影素子。 - 【請求項２】 前記検出器は、サーモパイル若しくはサ
ーモカップルを使用することを特徴とする請求項１記載
の赤外線撮影素子。 - 【請求項３】 前記電流制御手段は、 前記バイアス電圧をゲート端子に印加される第２のトラ
ンジスタと、 前記第１のトランジスタのドレイン端子に接続された第
３のトランジスタと、 前記第２のトランジスタのドレイン端子に接続された第
４のトランジスタとを有し、 前記第３、第４のトランジスタとをカレントミラー接続
したことを特徴とする請求項１記載の赤外線撮影素子。 - 【請求項４】 前記第１から第４のトランジスタは、特
性がそろっていることを特徴とする請求項１記載の赤外
線撮影素子。 - 【請求項５】 前記赤外線撮像素子の画素に励起された
電荷は、２次元状に配列され、 垂直方向に転送する垂直ＣＣＤと、 一時蓄積する蓄積ＣＣＤと、 水平方向に読み出す水平ＣＣＤとにより時系列の形で出
力されることを特徴とする請求項１記載の赤外線撮像素
子。 - 【請求項６】 前記時系列の出力信号のリセット電圧
は、前記第１から第４のトランジスタに印加される電源
電圧の中心電圧とすることを特徴とする請求項５記載の
赤外線撮像素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7178703A JP2967704B2 (ja) | 1995-07-14 | 1995-07-14 | 赤外線撮像素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7178703A JP2967704B2 (ja) | 1995-07-14 | 1995-07-14 | 赤外線撮像素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0937154A true JPH0937154A (ja) | 1997-02-07 |
| JP2967704B2 JP2967704B2 (ja) | 1999-10-25 |
Family
ID=16053088
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7178703A Expired - Lifetime JP2967704B2 (ja) | 1995-07-14 | 1995-07-14 | 赤外線撮像素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2967704B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000106651A (ja) * | 1999-10-01 | 2000-04-11 | Nec Corp | Ｆｐｎ補正デ―タ作成方法及びそれを用いた撮像装置 |
| US7361899B2 (en) | 2005-12-27 | 2008-04-22 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Infrared sensor, infrared camera, method of driving infrared sensor, and method of driving infrared camera |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4209536C3 (de) | 1992-03-24 | 2000-10-05 | Stuttgart Mikroelektronik | Bildzelle für einen Bildaufnehmer-Chip |
-
1995
- 1995-07-14 JP JP7178703A patent/JP2967704B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000106651A (ja) * | 1999-10-01 | 2000-04-11 | Nec Corp | Ｆｐｎ補正デ―タ作成方法及びそれを用いた撮像装置 |
| US7361899B2 (en) | 2005-12-27 | 2008-04-22 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Infrared sensor, infrared camera, method of driving infrared sensor, and method of driving infrared camera |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2967704B2 (ja) | 1999-10-25 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19990721 |