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JP2008268155A - Thermal type infrared solid-state imaging element - Google Patents

Thermal type infrared solid-state imaging element Download PDF

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JP2008268155A
JP2008268155A JP2007115319A JP2007115319A JP2008268155A JP 2008268155 A JP2008268155 A JP 2008268155A JP 2007115319 A JP2007115319 A JP 2007115319A JP 2007115319 A JP2007115319 A JP 2007115319A JP 2008268155 A JP2008268155 A JP 2008268155A
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崇浩 大中道
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain suppression of temperature drift due to the variation in element temperature and an offset distribution by voltage drop in the driving line, by carrying out a feedback of an output of a reference picture element, in a thermal type infrared solid-state imaging element, and to prevent decrease in the manufacturing yield and increase in cost, even if defective pixels are produced in reference pixels. <P>SOLUTION: With respect to the output of the reference pixels, if they are defective pixels, they are not made to be reflected in the feedback signal by a defective decision circuit by using a voltage comparison circuit. Alternatively, an averaging circuit averages the output of a plurality of the reference pixels. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、入射赤外線による温度変化を2次元配列された半導体センサで検出する熱型赤外線固体撮像素子に関し、特に、半導体センサからの電気信号を信号処理回路にて積分処理した後に出力する熱型赤外線固体撮像素子に関する。   The present invention relates to a thermal infrared solid-state imaging device that detects a temperature change caused by incident infrared rays using a two-dimensionally arranged semiconductor sensor, and more particularly, a thermal type that outputs an electrical signal from a semiconductor sensor after integration processing by a signal processing circuit. The present invention relates to an infrared solid-state imaging device.

一般的な熱型赤外線固体撮像素子では、断熱構造を有する画素を2次元に配列し入射した赤外線によって画素の温度が変化することを利用して赤外線像を撮像する。非冷却型の熱型赤外線固体撮像素子の場合、画素を構成する温度センサには、ポリシリコン、アモルファスシリコン、炭化ケイ素、酸化バナジウムなどのボロメータの他、ダイオードやトランジスタなどの半導体素子を用いたものが知られている。特に、ダイオードなどの半導体素子は、電気特性や温度依存性のバラツキが固体等で非常に小さいため、各画素の特性を均一にする上で有利である。   In a general thermal infrared solid-state imaging device, pixels having a heat insulating structure are two-dimensionally arranged and an infrared image is captured by utilizing the change in pixel temperature due to incident infrared rays. In the case of an uncooled thermal infrared solid-state image sensor, the temperature sensor that constitutes the pixel uses a bolometer such as polysilicon, amorphous silicon, silicon carbide, vanadium oxide, or a semiconductor element such as a diode or a transistor It has been known. In particular, semiconductor elements such as diodes are advantageous in making the characteristics of each pixel uniform because variations in electrical characteristics and temperature dependence are very small, such as solids.

熱型赤外線固体撮像素子では、画素は2次元に配列されており、行ごとに駆動線によって接続され、列ごとに信号線によって接続されている。垂直走査回路とスイッチにより各駆動線が順番に選択され、選択された駆動線を介して電源から画素に通電される。画素の出力は信号線を介して差動積分回路に伝えられ、差動積分回路で一定時間積分され増幅され、次に、水平走査回路とスイッチによって順次出力端子へ出力される(たとえば非特許文献1参照)。   In the thermal infrared solid-state imaging device, the pixels are two-dimensionally arranged, connected by a drive line for each row, and connected by a signal line for each column. Each drive line is selected in turn by the vertical scanning circuit and the switch, and the pixel is energized from the power source through the selected drive line. The output of the pixel is transmitted to the differential integration circuit via the signal line, integrated and amplified for a certain time by the differential integration circuit, and then sequentially output to the output terminal by the horizontal scanning circuit and the switch (for example, non-patent document) 1).

これらの熱型赤外線固体撮像素子において、積分回路に入力される電圧に対して、画素の両端電圧以外に駆動線での電圧降下が影響する。ところが、駆動線での電圧降下量は画素列ごとに異なるため、積分回路の出力も画素列ごとに異なった値となり、撮像した画像に駆動線の抵抗によるオフセット分布が発生してしまう。また、熱型赤外線固体撮像素子の赤外光に対するレスポンス、すなわち、画素の両端電圧の変化は、駆動線における電圧降下成分に比べはるかに小さい。このため、駆動線による電圧降下分布によって増幅器が飽和などを起こし、必要な増幅度を確保できないという問題もある。   In these thermal infrared solid-state imaging devices, a voltage drop in the drive line affects the voltage input to the integration circuit in addition to the voltage across the pixel. However, since the amount of voltage drop in the drive line differs for each pixel column, the output of the integration circuit also varies for each pixel column, and an offset distribution due to the resistance of the drive line occurs in the captured image. In addition, the response of the thermal infrared solid-state imaging device to infrared light, that is, the change in the voltage across the pixel is much smaller than the voltage drop component in the drive line. For this reason, there is a problem that the amplifier is saturated due to the voltage drop distribution due to the drive line, and the necessary amplification cannot be ensured.

また、画素のレスポンスには、赤外光のレスポンス以外に素子温度変化によるレスポンスも含まれるため、素子出力が素子温度変化とともにドリフトするという問題もある。すなわち、画素が完全に断熱され、赤外線吸収による温度変化のみを検出することが理想であるが、画素の断熱構造は有限の熱抵抗をもつため、検出動作を行っているときに環境温度が変化すると出力も変化してしまう。この環境温度の変化による出力変動は入射赤外線の変化と区別がつかないため、赤外線の測定精度が低下して、安定した画像取得ができなくなってしまう。   In addition, since the response of the pixel includes a response due to a change in element temperature in addition to the response of infrared light, there is also a problem that the element output drifts with a change in element temperature. In other words, it is ideal that the pixel is completely insulated and only the temperature change due to infrared absorption is detected, but since the pixel's heat insulation structure has a finite thermal resistance, the ambient temperature changes during the detection operation. Then the output will also change. Since the output fluctuation due to the change in the environmental temperature is indistinguishable from the change in the incident infrared ray, the measurement accuracy of the infrared ray is lowered, and stable image acquisition cannot be performed.

こうした問題を解消するため、特許文献1では、熱型赤外線固体撮像素子において、次のような構成を採用している。2次元に配列された画素配列とともに、さらに、断熱構造及び/又は赤外線吸収構造を除外して構成した参照画素列を設ける。参照画素の出力は、素子全体の温度変化により変動する。ある参照画素が選択されると、電源電圧が、直列接続された参照画素と第1の定電流源に印加される。一方、バイアス電圧が第2の定電流源に印加される。差動積分回路は、2つの定電流源の両端電圧の差を出力する。その出力値は、サンプルホールド回路によって保持され、基準電圧と比較され、その差に応じたバイアス電圧が生成されて、差動積分回路の入力電圧として帰還される。このような、出力読み出しにおける差動積分回路の使用、ならびに、参照画素の出力電圧の温度変動のフィードバック機構により、参照画素列の出力信号が常に一定電圧値となるよう動作させる。これにより、従来の問題であった、駆動線での電圧降下によるオフセット分布と素子温度変動による温度ドリフトを解決している。また、それらの複数の定電流源20は、駆動線3とほぼ平行なバイアス線19によって並列に接続されている。さらに、複数の第2の定電流源を接続するバイアス線を、1行の画素に接続される駆動線とほぼ同一の電圧降下を生じるように設けて駆動線での電圧変動によるオフセット分布を抑制する。
特開2005−214639号公報 石川等、“Low-cost 320x240 uncooled IRFPA using conventional silicon IC process”(「従来のシリコンICプロセスを用いた低コスト320x240非冷却IRFPA」)、Part of the SPIE Conference on Infrared Technology and Applications XXV, 1999年4月発行、Vol.3698、556頁から564頁
In order to solve such a problem, Patent Document 1 adopts the following configuration in a thermal infrared solid-state imaging device. In addition to the two-dimensionally arranged pixel array, a reference pixel column configured by excluding the heat insulation structure and / or the infrared absorption structure is further provided. The output of the reference pixel varies depending on the temperature change of the entire element. When a reference pixel is selected, a power supply voltage is applied to the reference pixel and the first constant current source connected in series. On the other hand, a bias voltage is applied to the second constant current source. The differential integration circuit outputs the difference between the voltages across the two constant current sources. The output value is held by a sample and hold circuit, compared with a reference voltage, a bias voltage corresponding to the difference is generated, and fed back as an input voltage of the differential integration circuit. By using the differential integration circuit in the output reading and the feedback mechanism of the temperature variation of the output voltage of the reference pixel, the output signal of the reference pixel column is always operated to have a constant voltage value. As a result, the offset distribution due to the voltage drop in the drive line and the temperature drift due to the element temperature variation, which are the conventional problems, are solved. The plurality of constant current sources 20 are connected in parallel by a bias line 19 substantially parallel to the drive line 3. In addition, bias lines that connect a plurality of second constant current sources are provided so as to generate substantially the same voltage drop as drive lines connected to pixels in one row, thereby suppressing offset distribution due to voltage fluctuations in the drive lines. To do.
JP 2005-214039 A Ishikawa et al., “Low-cost 320x240 uncooled IRFPA using conventional silicon IC process”, Part of the SPIE Conference on Infrared Technology and Applications XXV, 1999 4 Monthly issue, Vol. 3698, pages 556 to 564

しかし、従来の熱型赤外線固体撮像素子においては、製造工程における異物混入やその他の要因により、参照画素が欠陥画素であった場合、その正常でない欠陥画素の出力を、画素の出力を検出する差動積分回路にフィードバックしてしまう。このため、画素の出力に1行または複数行の単位で出力不良が発生し、撮像画像にてノイズや画像むらとして表示されることとなる。このような欠陥画素が発生した場合、行単位での出力不良となるため、少なからず製造歩留りの低下を引き起こす可能性を有しており、コスト増大の要因となっていた。   However, in the conventional thermal infrared solid-state imaging device, if the reference pixel is a defective pixel due to foreign matter contamination or other factors in the manufacturing process, the output of the abnormal defective pixel is detected as a difference between the detection of the pixel output. Feedback to the dynamic integration circuit. For this reason, an output failure occurs in units of one or a plurality of lines in the pixel output, and the captured image is displayed as noise or image unevenness. When such a defective pixel occurs, an output failure occurs in units of rows, which may cause a decrease in manufacturing yield, which is a cause of cost increase.

本発明の目的は、参照画素が欠陥画素であっても、駆動線での電圧降下によるオフセット分布と、素子温度変動による温度ドリフトを抑制し、さらに、画素の出力不良を防止できる高安定性の熱型赤外線固体撮像素子を提供することである。   It is an object of the present invention to suppress offset distribution due to voltage drop in a drive line and temperature drift due to element temperature fluctuation, and prevent pixel output failure even if the reference pixel is a defective pixel. It is to provide a thermal infrared solid-state imaging device.

本発明に係る第1の熱型赤外線固体撮像素子は、断熱構造と赤外線吸収構造を有し、少なくとも1個以上の直列に接続されたダイオードを備える複数の感光画素と、複数の参照画素とからなる画素の2次元行列を設けた画素エリアと、前記感光画素および参照画素の一方の極を行ごとに共通に接続した複数の駆動線と、前記複数の駆動線の1つを選択し電源に接続する垂直走査回路と、前記複数の駆動線とほぼ同一の電圧降下を生じるように前記複数の駆動線に並列に配置され、列ごとにそれぞれ設けられる第2の定電流源を共通に接続し、バイアス電圧がフィードバックされるバイアス線と、前記感光画素および参照画素の他方の極を列ごとに共通に接続した複数の信号線であって、それぞれに複数の第1の定電流源の1つが接続された複数の信号線と、前記感光画素および参照画素の列ごとに設けられ、前記第1の定電流源と前記第2の定電流源の両端電圧を入力し、前記両端電圧の差を一定時間積分して出力する複数の差動積分回路と、前記複数の差動積分回路の出力信号の1つを選択して出力端子に導く水平走査回路と、前記垂直操作回路および前記水平走査回路により選択された前記参照画素について前記差動積分回路の出力信号をサンプルし保持するサンプルホールド回路と、前記サンプルホールド回路に保持されている出力信号をもとに、選択された前記参照画素が欠陥画素か否かを判定し、欠陥画素でないと判断したときに、前記出力信号を出力する欠陥判定回路と、前記サンプルホールド回路から出力される前記出力信号と基準電圧との差に応じた前記バイアス電圧を生成し、前記バイアス線にフィードバックするバイアス電圧生成回路とからなる。   A first thermal infrared solid-state imaging device according to the present invention has a heat insulating structure and an infrared absorption structure, and includes a plurality of photosensitive pixels including at least one or more diodes connected in series, and a plurality of reference pixels. A pixel area provided with a two-dimensional matrix of pixels, a plurality of drive lines in which one pole of the photosensitive pixel and the reference pixel are connected in common for each row, and one of the plurality of drive lines is selected as a power source A vertical scanning circuit to be connected and a second constant current source arranged in parallel to each of the plurality of drive lines so as to generate a voltage drop substantially the same as that of the plurality of drive lines and provided for each column are connected in common. A bias line to which a bias voltage is fed back, and a plurality of signal lines in which the other poles of the photosensitive pixel and the reference pixel are connected in common for each column, each of which has one of a plurality of first constant current sources. Connected Are provided for each column of the signal line, the photosensitive pixel and the reference pixel, and the voltage between both ends of the first constant current source and the second constant current source is input, and the difference between the both end voltages is integrated for a certain period of time. Selected by the plurality of differential integration circuits to be output, a horizontal scanning circuit for selecting one of the output signals of the plurality of differential integration circuits and leading to the output terminal, the vertical operation circuit, and the horizontal scanning circuit A sample hold circuit that samples and holds the output signal of the differential integration circuit for the reference pixel, and whether or not the selected reference pixel is a defective pixel based on the output signal held in the sample hold circuit And when determining that the pixel is not a defective pixel, the defect determination circuit that outputs the output signal, and the bias according to a difference between the output signal output from the sample hold circuit and a reference voltage It generates a pressure, and a bias voltage generation circuit to be fed back to the bias line.

本発明に係る第2の熱型赤外線固体撮像素子は、断熱構造と赤外線吸収構造を有し、少なくとも1個以上の直列に接続されたダイオードを備える複数の感光画素と、複数の参照画素とからなる画素の2次元行列を設けた画素エリアと、前記感光画素および参照画素の一方の極を行ごとに共通に接続した複数の駆動線と、前記複数の駆動線の1つを選択し電源に接続する垂直走査回路と、前記複数の駆動線とほぼ同一の電圧降下を生じるように前記複数の駆動線に並列に配置され、列ごとにそれぞれ設けられる第2の定電流源を共通に接続し、バイアス電圧がフィードバックされるバイアス線と、前記感光画素および参照画素の他方の極を列ごとに共通に接続した複数の信号線であって、それぞれに複数の第1の定電流源の1つが接続された複数の信号線と、前記感光画素および参照画素の列ごとに設けられ、前記第1の定電流源と前記第2の定電流源の両端電圧を入力し、前記両端電圧の差を一定時間積分して出力する複数の差動積分回路と、前記複数の差動積分回路の出力信号の1つを選択して出力端子に導く水平走査回路と、前記垂直操作回路および前記水平走査回路により選択された複数の前記参照画素について前記差動積分回路の出力信号をサンプルし保持するサンプルホールド回路と、前記サンプルホールド回路に保持されている複数の前記出力信号を平均する平均回路と、前記平均回路から出力される前記平均信号と基準電圧との差に応じた前記バイアス電圧を生成し、前記バイアス線にフィードバックするバイアス電圧生成回路とからなる。   A second thermal-type infrared solid-state imaging device according to the present invention has a heat insulating structure and an infrared absorption structure, and includes a plurality of photosensitive pixels including at least one or more diodes connected in series, and a plurality of reference pixels. A pixel area provided with a two-dimensional matrix of pixels, a plurality of drive lines in which one pole of the photosensitive pixel and the reference pixel are connected in common for each row, and one of the plurality of drive lines is selected as a power source A vertical scanning circuit to be connected and a second constant current source arranged in parallel to each of the plurality of drive lines so as to generate a voltage drop substantially the same as that of the plurality of drive lines and provided for each column are connected in common. A bias line to which a bias voltage is fed back, and a plurality of signal lines in which the other poles of the photosensitive pixel and the reference pixel are connected in common for each column, each of which has one of a plurality of first constant current sources. Connected Are provided for each column of the signal line, the photosensitive pixel and the reference pixel, and the voltage between both ends of the first constant current source and the second constant current source is input, and the difference between the both end voltages is integrated for a certain period of time. Selected by the plurality of differential integration circuits to be output, a horizontal scanning circuit for selecting one of the output signals of the plurality of differential integration circuits and leading to the output terminal, the vertical operation circuit, and the horizontal scanning circuit A sample and hold circuit that samples and holds the output signal of the differential integration circuit for the plurality of reference pixels, an average circuit that averages the plurality of output signals held in the sample and hold circuit, and an output from the average circuit A bias voltage generation circuit that generates the bias voltage according to a difference between the average signal and a reference voltage to be fed back to the bias line.

第1の熱型赤外線固体撮像素子では、駆動線での電圧降下によるオフセット分布と、素子温度変動による温度ドリフトを抑制するとともに、さらに、欠陥画素か判定して欠陥画素であればフィードバック信号として採用しないので、参照画素が欠陥画素であっても画像出力不良が発生しない。したがって、製造歩留りの低下を引き起こさずに低コスト・高安定性の熱型赤外線固体撮像素子を提供できる。   In the first thermal infrared solid-state imaging device, the offset distribution due to the voltage drop in the drive line and the temperature drift due to the device temperature fluctuation are suppressed, and if it is a defective pixel, it is adopted as a feedback signal if it is a defective pixel. Therefore, no defective image output occurs even if the reference pixel is a defective pixel. Therefore, it is possible to provide a low-cost, high-stability thermal infrared solid-state imaging device without causing a decrease in manufacturing yield.

第2の熱型赤外線固体撮像素子では、複数の参照画素の参照電圧を平均化してフィードバックするため、参照画素の中に微小な出力不良が存在した場合でも、その影響を最小化できる。   In the second thermal infrared solid-state imaging device, since the reference voltages of a plurality of reference pixels are averaged and fed back, the influence can be minimized even if a minute output defect exists in the reference pixel.

実施の形態1. Embodiment 1 FIG.

図1は、本発明の実施の形態1に係る熱型赤外線固体撮像素子の回路図である。画素エリアには、多数の感光画素1が2次元状に配列される。さらに、参照画素12として、断熱構造と赤外線吸収構造のいずれか一方又は両方を有しない他は感光画素1と実質的に同じ構造の画素を設ける。この参照画素12は、画素エリア内の一部の感光画素から断熱構造及び/又は赤外線吸収構造を除外して設けてもよい。図1の例では、1列の参照画素12が画素エリアの左端の1列として配置される。個々の感光画素1は、赤外線吸収構造と断熱構造を備えた1個のダイオードまたは直列に接続された複数個のダイオードを備える。個々の参照画素12は、断熱構造及び/又は赤外線吸収構造を除外して構成される。参照画素は、好ましくは、断熱構造と赤外線吸収構造のいずれか一方又は両方を有しない他は前記感光画素と実質的に同じ構造であるので、実質的に素子全体の温度変化に応じて変化する参照信号を出力する。   FIG. 1 is a circuit diagram of a thermal infrared solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention. A large number of photosensitive pixels 1 are two-dimensionally arranged in the pixel area. Further, as the reference pixel 12, a pixel having substantially the same structure as that of the photosensitive pixel 1 is provided except that either one or both of the heat insulation structure and the infrared absorption structure is not provided. The reference pixel 12 may be provided by excluding the heat insulating structure and / or the infrared absorbing structure from a part of the photosensitive pixels in the pixel area. In the example of FIG. 1, one column of reference pixels 12 is arranged as one column at the left end of the pixel area. Each photosensitive pixel 1 includes one diode having an infrared absorption structure and a heat insulation structure or a plurality of diodes connected in series. Each reference pixel 12 is configured by excluding a heat insulating structure and / or an infrared absorption structure. The reference pixel preferably has substantially the same structure as the photosensitive pixel except that either one or both of the heat insulating structure and the infrared absorption structure is not provided. Therefore, the reference pixel changes substantially according to a temperature change of the entire element. Output a reference signal.

感光画素1および参照画素12からなる複数の画素の2次元配列において、1行の感光画素および参照画素の一方の極に駆動線3が共通して接続され、また、1列の感光画素1または参照画素12の他方の極に信号線5が共通して接続されている。すなわち、画素は、行ごとに駆動線3によって接続され、列ごとに信号線5によって接続されている。各信号線5の終端には、第1群の定電流源(定電流化手段)2が接続されている。また、垂直走査回路4のより駆動線3が順番に選択されると、スイッチ5’が閉じて、電源6からの電圧がスイッチ5’と駆動線3を経て、画素1,12と定電流源2とに直列に印加される。一方、定電流源2とほぼ同一の電流を流す第2群の定電流源(定電流化手段)20が、画素1,12の各列に、定電流源2の近傍に配置されており、それらの複数の定電流源20は、駆動線3とほぼ平行なバイアス線19によって並列に接続されている。さらに、後で説明するように、バイアス線19には、低域通過フィルタ18を介してバイアス電圧が入力される。バイアス線19は、駆動線3とほぼ同一の電圧降下を生じるように駆動線3とほぼ同一の抵抗値を有している。なお、バイアス線19は、駆動線3とほぼ同一の電圧降下を生じればよく、必ずしも駆動線3と同一の抵抗を有する必要はない。したがって、バイアス電圧が、定電流源2に印加される。定電流源2の電流値が定電流源20と異なる場合には、それに応じてバイアス線19と駆動線3が異なる抵抗を有していても良い。画素の2次元配列の列ごとに差動増幅積分回路7が設けられており、差動増幅積分回路7のマイナス側端子とプラス側端子に定電流源2の両端電圧(参照画素または感光画素の電圧)と定電流源20の両端電圧(バイアス電圧)が入力されると、両電圧の差を一定時間積分、増幅して出力する。そして、水平走査回路8によって複数の水平選択スイッチ9が順次オンされるとき、選択された差動積分回路7の出力信号(画素の出力)が、出力アンプ11を介して出力信号10が外部に出力される。上述の構成は、従来の熱型赤外線固体撮像素子において知られている。   In a two-dimensional array of a plurality of pixels composed of a photosensitive pixel 1 and a reference pixel 12, a drive line 3 is commonly connected to one pole of one row of photosensitive pixels and a reference pixel, and one column of photosensitive pixels 1 or The signal line 5 is commonly connected to the other pole of the reference pixel 12. That is, the pixels are connected by the drive line 3 for each row and connected by the signal line 5 for each column. A first group of constant current sources (constant current means) 2 is connected to the end of each signal line 5. When the drive line 3 is selected in turn by the vertical scanning circuit 4, the switch 5 'is closed, and the voltage from the power source 6 passes through the switch 5' and the drive line 3, and the pixels 1 and 12 and the constant current source. 2 in series. On the other hand, a second group of constant current sources (constant current converting means) 20 for supplying substantially the same current as the constant current source 2 are arranged in the vicinity of the constant current source 2 in each column of the pixels 1 and 12. The plurality of constant current sources 20 are connected in parallel by a bias line 19 substantially parallel to the drive line 3. Further, as will be described later, a bias voltage is input to the bias line 19 via the low-pass filter 18. The bias line 19 has substantially the same resistance value as that of the drive line 3 so as to generate almost the same voltage drop as that of the drive line 3. The bias line 19 only needs to generate a voltage drop substantially the same as that of the drive line 3, and does not necessarily have the same resistance as that of the drive line 3. Therefore, a bias voltage is applied to the constant current source 2. When the current value of the constant current source 2 is different from that of the constant current source 20, the bias line 19 and the drive line 3 may have different resistances accordingly. A differential amplification integration circuit 7 is provided for each column of the two-dimensional array of pixels, and the voltage across the constant current source 2 (the reference pixel or the photosensitive pixel) is connected to the minus side terminal and the plus side terminal of the differential amplification integration circuit 7. Voltage) and the voltage across the constant current source 20 (bias voltage) are input, the difference between the two voltages is integrated and amplified for a certain period of time and output. When the plurality of horizontal selection switches 9 are sequentially turned on by the horizontal scanning circuit 8, the output signal (pixel output) of the selected differential integration circuit 7 is output to the outside via the output amplifier 11. Is output. The above-described configuration is known in a conventional thermal infrared solid-state imaging device.

この回路構成では、1列の参照画素12に接続された定電流源2の両端電圧を参照信号として読み出す。この参照信号は、通常の画素1の信号と同じようにして読み出される。すなわち、参照画素12に接続された電流源2の両端電圧と、それに隣接してバイアス線19に接続された電流源20の両端電圧とが、各々、差動積分回路7のマイナス側とプラス側に入力されて、積分、増幅される。そして、参照画素12に対応した出力信号が、水平駆動回路8により駆動されるスイッチ9によって、通常の画像読出しの1ラインごとに読み出され、アンプ11を介して出力信号10が出力される。   In this circuit configuration, the voltage across the constant current source 2 connected to the reference pixels 12 in one column is read as a reference signal. This reference signal is read out in the same manner as a normal pixel 1 signal. That is, the voltage across the current source 2 connected to the reference pixel 12 and the voltage across the current source 20 connected to the bias line 19 adjacent thereto are respectively the negative side and the positive side of the differential integration circuit 7. Is integrated and amplified. Then, an output signal corresponding to the reference pixel 12 is read for each line of normal image reading by the switch 9 driven by the horizontal drive circuit 8, and an output signal 10 is output via the amplifier 11.

この回路構成では、バイアス線19で駆動線3とほぼ同一の電圧降下を生じているため、駆動線3での電圧降下分を出力からキャンセルし、駆動線3に由来するオフセット分布が除去される。すなわち、参照信号とバイアス線の電圧との差分を取り、その差分信号を所定の基準電圧と対比し、その差に応じたバイアス電圧を生成してバイアス線にフィードバックする。これにより、バイアス線の電圧を参照信号に応じて(素子温度に応じて)変化させながら、製造バラツキなどによるバイアス線の電圧バラツキを自動的に修正できる。   In this circuit configuration, almost the same voltage drop as the drive line 3 occurs in the bias line 19, so that the voltage drop in the drive line 3 is canceled from the output, and the offset distribution derived from the drive line 3 is removed. . That is, the difference between the reference signal and the voltage of the bias line is taken, the difference signal is compared with a predetermined reference voltage, a bias voltage corresponding to the difference is generated, and fed back to the bias line. As a result, it is possible to automatically correct the bias line voltage variation due to manufacturing variation or the like while changing the bias line voltage according to the reference signal (depending on the element temperature).

なお、それぞれの差動積分回路7のプラス側端子には、バイアス線19上の所定位置の電圧が入力されるが、ここで、バイアス線上の「所定位置」とは、バイアス線19上の固定された位置であればよく、特定の位置には限定されない。バイアス線上の所定位置の電圧を取出すのは、バイアス線全体の電圧レベルをモニタするためであるので、どの位置で電圧をモニタしても発明の原理には影響しない。   Note that a voltage at a predetermined position on the bias line 19 is input to the plus side terminal of each differential integration circuit 7. Here, the “predetermined position” on the bias line is a fixed position on the bias line 19. The position is not limited to a specific position. Since the voltage at a predetermined position on the bias line is taken out in order to monitor the voltage level of the entire bias line, monitoring the voltage at any position does not affect the principle of the invention.

次に、バイアス電圧のフィードバックについて説明する。参照画素12の出力(アンプ11の出力信号)は、次に説明する経路を経て、バイアス信号として、バイアス線19にフィードバックされる。アンプ11の出力信号は、まず、第1のサンプルホールド回路13に供給される。サンプルホールドタイミング信号は、参照画素12の列の出力信号が出力されているタイミングでサンプルホールド動作を行うようにサンプルホールド回路13に入力される。第1のサンプルホールド回路13の出力信号は、欠陥判定回路23と第2のサンプルホールド回路25とに入力される。   Next, feedback of bias voltage will be described. The output of the reference pixel 12 (the output signal of the amplifier 11) is fed back to the bias line 19 as a bias signal through a path described below. The output signal of the amplifier 11 is first supplied to the first sample hold circuit 13. The sample hold timing signal is input to the sample hold circuit 13 so that the sample hold operation is performed at the timing when the output signal of the column of the reference pixel 12 is output. The output signal of the first sample and hold circuit 13 is input to the defect determination circuit 23 and the second sample and hold circuit 25.

欠陥判定回路23は、電圧比較回路を用いて基準電圧との比較を行い、欠陥か否かを判定する。ここで、熱型赤外線固体撮像素子の欠陥画素について考える。前述のように、画素1内のダイオードの電圧降下の微小な変化を温度センサとして用い、積分回路で積分した出力を取り出し、読み出し回路が全体として非反転出力の場合を考える。たとえばダイオード端子間の配線ショートといった製造工程における何らかの不良要因により、ダイオードの電圧降下が著しく低くなった場合、積分回路入力電圧は正常動作時の電圧レベルに比べ大幅に高くなり、その結果、読み出し回路の最終出力電圧は読み出し回路のダイナミックレンジにおける最高レベル電圧となり、撮像画像では白く出力され、いわゆる「白点欠陥」となる。一方、たとえばダイオードの配線断線といった製造工程における何らかの不良要因により、ダイオードの電圧降下が著しく高くなった場合、積分回路の入力電圧は正常動作時の電圧レベルに比べ大幅に低くなり、その結果、読み出し回路の最終出力電圧は読み出し回路のダイナミックレンジにおける最低レベル電圧となり、撮像画像では黒く出力され、いわゆる「黒点欠陥」となる。たとえば、電源電圧が10Vで、読み出し回路のダイナミックレンジが2〜8Vである場合を考えると、「白点欠陥」では出力電圧は8Vとなり、「黒点欠陥」では出力電圧は2Vとなる。また、正常な画素の読み出しに際しては、出力電圧は3〜7Vの電圧範囲というように、読み出し回路のダイナミックレンジにおける最高レベル電圧8Vや最低レベル電圧2Vに近くなることもない。このことに着目して、参照画素の出力電圧がたとえば2.5Vといった第1基準電圧より低いか、ならびに、たとえば7.5Vといった第2基準電圧を超えているかを調べれば、参照画素が「黒点欠陥」か、および、「白点欠陥」であるかを判定できる。そこで、欠陥判定回路23は、電圧比較回路を用い、参照画素の出力が反映された信号を、第1基準電圧と比較し、参照画素が欠陥画素か否かを判定する。   The defect determination circuit 23 compares the reference voltage with a voltage comparison circuit to determine whether or not there is a defect. Here, a defective pixel of the thermal infrared solid-state imaging device is considered. As described above, a case where a minute change in the voltage drop of the diode in the pixel 1 is used as a temperature sensor, an output integrated by the integration circuit is taken out, and the readout circuit as a whole is a non-inverted output. For example, when the voltage drop of the diode becomes extremely low due to some defect factor in the manufacturing process such as a wiring short between the diode terminals, the input voltage of the integration circuit becomes significantly higher than the voltage level during normal operation. The final output voltage is the highest level voltage in the dynamic range of the readout circuit, and is output white in the captured image, resulting in a so-called “white spot defect”. On the other hand, if the voltage drop of the diode becomes extremely high due to some defect factor in the manufacturing process, for example, the wire breakage of the diode, the input voltage of the integration circuit becomes significantly lower than the voltage level during normal operation, and as a result The final output voltage of the circuit is the lowest level voltage in the dynamic range of the readout circuit, and is output black in the captured image, resulting in a so-called “black spot defect”. For example, if the power supply voltage is 10 V and the dynamic range of the readout circuit is 2 to 8 V, the output voltage is 8 V for “white spot defect” and the output voltage is 2 V for “black spot defect”. Further, when reading a normal pixel, the output voltage is not close to the maximum level voltage 8V or the minimum level voltage 2V in the dynamic range of the readout circuit, such as a voltage range of 3 to 7V. Focusing on this, if it is checked whether the output voltage of the reference pixel is lower than the first reference voltage such as 2.5 V and exceeds the second reference voltage such as 7.5 V, the reference pixel is “black point”. Whether it is a “defect” or a “white point defect” can be determined. Therefore, the defect determination circuit 23 uses a voltage comparison circuit, compares the signal reflecting the output of the reference pixel with the first reference voltage, and determines whether the reference pixel is a defective pixel.

図2は、「黒点欠陥」か否かを判定する黒点欠陥判定回路101の1例を示す。ここで、電圧比較回路100は、プラス入力がマイナス入力より電圧が高い場合、デジタル出力にてHighレベルを出力する回路を想定している。電圧比較回路の実際の回路の形態については、微小な電圧差を判定する必要がないため、様々な種類の一般的な電圧比較回路を使用可能である。たとえば文献「CMOSアナログ回路設計技術」(岩田監修、トリケプス社)84〜90頁に様々な電圧比較回路(コンパレータ)の回路例が示されている。第1基準電圧は、画素が黒点欠陥であった際に出力する電圧レベルより、十分高い電圧を設定すれば良い。上記の事例にて説明すれば、第1基準電圧をたとえば2.5Vにすればよい。図3は、「白点欠陥」か否かを判定する白点欠陥判定回路102の1例を示す。第2基準電圧は、画素が白点欠陥であった際に出力する電圧レベルより、十分低い電圧を設定すれば良い。上記の事例にて説明すれば、第2基準電圧をたとえば7.5Vにすればよい。図4は、黒点欠陥または白点欠陥であるかを判定する欠陥判定回路103の1例を示す。黒欠陥を判定する電圧比較回路100と、白欠陥を判定する電圧比較回路100を並列に設け、それらの出力をAND回路104を介して出力する。   FIG. 2 shows an example of the black spot defect determination circuit 101 that determines whether or not it is a “black spot defect”. Here, the voltage comparison circuit 100 is assumed to be a circuit that outputs a high level as a digital output when the positive input has a higher voltage than the negative input. As for the actual circuit configuration of the voltage comparison circuit, it is not necessary to determine a minute voltage difference, and therefore various types of general voltage comparison circuits can be used. For example, in the document “CMOS analog circuit design technology” (supervised by Iwata, Trikeps), pages 84 to 90, circuit examples of various voltage comparison circuits (comparators) are shown. The first reference voltage may be set to a voltage sufficiently higher than the voltage level output when the pixel has a black spot defect. In the case described above, the first reference voltage may be set to 2.5V, for example. FIG. 3 shows an example of the white point defect determination circuit 102 that determines whether or not it is a “white point defect”. The second reference voltage may be set to a voltage sufficiently lower than the voltage level output when the pixel has a white spot defect. In the case described above, the second reference voltage may be set to 7.5V, for example. FIG. 4 shows an example of the defect determination circuit 103 that determines whether the defect is a black spot defect or a white spot defect. A voltage comparison circuit 100 that determines a black defect and a voltage comparison circuit 100 that determines a white defect are provided in parallel, and their outputs are output via an AND circuit 104.

欠陥判定回路23により参照画素が欠陥ではないと判定された場合、欠陥判定回路23はデジタル出力にてHighレベルを出力し、その出力信号は、選択回路であるAND回路27に入力される。AND回路27のもう1つの入力には、第2サンプルホールドタイミング信号が入力される。第2サンプルホールドタイミング信号は前述の第1サンプルホールドタイミング信号に比べ、サンプルホールドのタイミングが任意の区間遅延された信号である。AND回路27の出力は、第2のサンプルホールド回路25の制御信号として入力される。これにより、欠陥判定回路23により参照画素が欠陥ではないと判定された場合、欠陥判定回路23はデジタル出力にてHighレベルを出力する。このため、第2サンプルホールドタイミング信号はクロック波形が変化することなく、第2のサンプルホールド回路25の制御信号として入力され、第2サンプルホールドタイミング信号のタイミングで第1のサンプルホールド回路13の出力電圧をサンプルホールドする。よって、参照画素の出力が反映されることとなる。一方、欠陥判定回路により参照画素が欠陥であると判定された場合、欠陥判定回路はデジタル出力にてLowレベルを出力するため、Lowレベルが第2のサンプルホールド回路25の制御信号として入力され、第1のサンプルホールド回路13の出力電圧をサンプルホールドする動作は行われず、前回の参照画素の出力が反映されたままで更新されないこととなる。この第2のサンプルホールド回路25の出力は、バイアス発生回路(基本的には減算回路)14のマイナス側端子に入力され、プラス側入力端子に入力される基準電圧15との差に応じたバイアス電圧が生成される。生成したバイアス電圧は、低域通過フィルタ16、バッファアンプ17及び低域通過フィルタ18を介してバイアス線19に入力される。   When the defect determination circuit 23 determines that the reference pixel is not defective, the defect determination circuit 23 outputs a high level as a digital output, and the output signal is input to an AND circuit 27 that is a selection circuit. The second sample hold timing signal is input to the other input of the AND circuit 27. The second sample and hold timing signal is a signal obtained by delaying the sample and hold timing by an arbitrary interval as compared with the first sample and hold timing signal. The output of the AND circuit 27 is input as a control signal for the second sample and hold circuit 25. Thereby, when the defect determination circuit 23 determines that the reference pixel is not defective, the defect determination circuit 23 outputs a high level as a digital output. For this reason, the second sample hold timing signal is input as a control signal of the second sample hold circuit 25 without changing the clock waveform, and the output of the first sample hold circuit 13 at the timing of the second sample hold timing signal. Sample and hold the voltage. Therefore, the output of the reference pixel is reflected. On the other hand, when it is determined by the defect determination circuit that the reference pixel is defective, the defect determination circuit outputs a low level as a digital output, so that the low level is input as a control signal for the second sample and hold circuit 25, The operation of sample-holding the output voltage of the first sample-and-hold circuit 13 is not performed, and the output of the previous reference pixel is reflected and not updated. The output of the second sample and hold circuit 25 is input to the minus side terminal of the bias generation circuit (basically a subtraction circuit) 14 and a bias corresponding to the difference from the reference voltage 15 input to the plus side input terminal. A voltage is generated. The generated bias voltage is input to the bias line 19 via the low-pass filter 16, the buffer amplifier 17, and the low-pass filter 18.

なお、バイアス発生回路14の基準電圧15は、ある一定の電圧であれば良く、特定の電圧値には限定されない。すなわち、基準電圧15はフィードバックするバイアス電圧を一定の電圧に自動修正する際の基準となるものである。従って、基準電圧15は、ある一定の電圧であり、かつ、差動積分回路の出力信号が後段回路のダイナミックレンジに入るように選択されたものであれば、それがどのような電圧であっても発明の原理には影響しない。   Note that the reference voltage 15 of the bias generation circuit 14 may be a certain voltage and is not limited to a specific voltage value. That is, the reference voltage 15 serves as a reference for automatically correcting the feedback bias voltage to a constant voltage. Therefore, if the reference voltage 15 is a certain voltage and is selected so that the output signal of the differential integration circuit falls within the dynamic range of the subsequent circuit, what kind of voltage is it? Does not affect the principle of the invention.

ここで、差動積分回路7の減算極性とバイアス発生回路14の減算極性は、参照画素12に対応する出力信号の変化が抑制される方向に選択されている。すなわち、バイアス線19の電圧(バイアス線19に接続した電流源20の電圧)が差動積分回路7のプラス側に入力された場合には、その差動積分回路7の出力はバイアス発生回路14のマイナス側に入力される。逆に、バイアス線19の電圧が差動積分回路7のマイナス側に入力された場合には、その差動積分回路7の出力はバイアス発生回路14のプラス側に入力される。これにより、バイアス発生回路14には、サンプルホールドされた信号と基準信号15との差に応じて、この差を減少させる方向にバイアス線19の電圧を変化させることになる。   Here, the subtraction polarity of the differential integration circuit 7 and the subtraction polarity of the bias generation circuit 14 are selected in a direction in which the change of the output signal corresponding to the reference pixel 12 is suppressed. That is, when the voltage of the bias line 19 (the voltage of the current source 20 connected to the bias line 19) is input to the plus side of the differential integration circuit 7, the output of the differential integration circuit 7 is the bias generation circuit 14 It is input on the minus side of. Conversely, when the voltage of the bias line 19 is input to the negative side of the differential integration circuit 7, the output of the differential integration circuit 7 is input to the positive side of the bias generation circuit 14. As a result, the bias generation circuit 14 changes the voltage of the bias line 19 in a direction to reduce the difference according to the difference between the sampled and held signal and the reference signal 15.

従って、本実施形態においても、特許文献1の素子と同様に、製造バラツキなどによるバイアス線の電圧バラツキが自動的に修正され、このため、参照画素12に対応する素子出力(画像信号の基準電圧レベルに相当する)は、回路内における直流オフセット成分の製造バラツキの影響を受けずにほぼ一定となり、素子ごとの特性バラツキによる素子内外の後段回路でのダイナミックレンジオーバーが防止できる。しかも、バイアス線19の電圧は、列ごとにある電流源による駆動線3の電圧降下を模擬するだけでなく、参照画素12による素子温度ドリフト情報を反映して変化するので、駆動線3での電圧降下によるオフセット分布抑制と温度ドリフト抑制も実現される。   Therefore, in the present embodiment as well, as in the element of Patent Document 1, the voltage variation of the bias line due to the manufacturing variation is automatically corrected. For this reason, the element output (reference voltage of the image signal) corresponding to the reference pixel 12 is corrected. (Corresponding to the level) becomes substantially constant without being affected by the manufacturing variation of the DC offset component in the circuit, and the dynamic range over in the subsequent circuit inside and outside the element due to the characteristic variation for each element can be prevented. In addition, the voltage of the bias line 19 not only simulates the voltage drop of the drive line 3 due to the current source for each column but also changes to reflect the element temperature drift information by the reference pixel 12, so Offset distribution suppression and temperature drift suppression due to voltage drop are also realized.

すなわち、通常画素1に対応する差動積分回路7のマイナス側端子には(a)駆動線3の電圧降下成分、(b)環境温度による画素1の画素信号変化成分、(c)入射赤外線による画素1の出力変化成分が入力される一方、差動積分回路7のプラス側端子には、(a’)バイアス線19での電圧降下成分と、(b')環境温度による参照信号変化成分が入力される。(a)駆動線3の電圧降下成分は、(a')バイアス線19での電圧降下成分によってキャンセルされ、(b)環境温度による画素1の画素信号変化成分は、(b')環境温度による参照信号変化成分によってキャンセルされるため、差動積分回路7では、(c)入射赤外線による画素1の出力変化のみ残して減算処理される。   That is, the negative side terminal of the differential integration circuit 7 corresponding to the normal pixel 1 has (a) a voltage drop component of the drive line 3, (b) a pixel signal change component of the pixel 1 due to environmental temperature, and (c) an incident infrared ray. While the output change component of the pixel 1 is input, the positive side terminal of the differential integration circuit 7 includes (a ′) a voltage drop component at the bias line 19 and (b ′) a reference signal change component due to the environmental temperature. Entered. (A) The voltage drop component of the drive line 3 is canceled by (a ′) the voltage drop component of the bias line 19, and (b) the pixel signal change component of the pixel 1 due to the environmental temperature is (b ′) due to the environmental temperature. Since it is canceled by the reference signal change component, the differential integration circuit 7 performs (c) subtraction processing leaving only the output change of the pixel 1 due to incident infrared rays.

従来は、製造工程における異物混入やその他の要因により、断熱構造及び/又は赤外線吸収構造を除外して構成した参照画素のなかに欠陥画素が存在した場合、その正常でない欠陥画素の出力を、2次元画素の出力にフィードバックしてしまい、2次元画素の出力に1行または複数行の単位で出力不良が発生し、撮像画像にてノイズや画像むらとして表示され、少なからず製造歩留りの低下を引き起こし、コストを増大させるという問題があった。本実施形態では、以上に説明したように特許文献1と素子と同様の効果を維持しつつ、さらに、この問題を解決可能である。すなわち、欠陥判定回路23を用い、参照画素列において、ある行における参照画素12が「黒点欠陥」や「白点欠陥」といった欠陥画素である場合には、フィードバック対象信号として更新せず、前行の参照画素12の出力をそのままフィードバックする。これにより、従来のように駆動線での電圧降下によるオフセット分布と素子温度変動による温度ドリフトとを抑制するとともに、参照画素のなかに欠陥画素があった場合においても、欠陥画素の出力をフィードバックし、行単位での画像出力不良を引き起こすことがないので、画像出力不良が発生せず、歩留まり低下を回避可能となり、コスト低減が実現されるという新しい効果を得ることができる。   Conventionally, when a defective pixel exists in a reference pixel configured by excluding a heat insulating structure and / or an infrared absorption structure due to contamination by foreign matters in the manufacturing process or other factors, the output of the defective pixel that is not normal is 2 The output is fed back to the output of the two-dimensional pixel, an output defect occurs in the unit of one or more lines in the output of the two-dimensional pixel, and it is displayed as noise or image unevenness in the picked-up image, causing a decrease in the manufacturing yield. There was a problem of increasing the cost. In this embodiment, as described above, this problem can be further solved while maintaining the same effect as that of Patent Document 1 and the element. In other words, when the defect determination circuit 23 is used and the reference pixel 12 in a certain row is a defective pixel such as “black spot defect” or “white spot defect” in the reference pixel column, it is not updated as a feedback target signal, and the previous row The output of the reference pixel 12 is fed back as it is. This suppresses offset distribution due to voltage drop in the drive line and temperature drift due to element temperature fluctuation as in the past, and feeds back the output of the defective pixel even when there is a defective pixel in the reference pixel. Since no image output failure occurs in units of rows, no image output failure occurs, a decrease in yield can be avoided, and a new effect that cost reduction is realized can be obtained.

以下、本実施の形態に係る熱型赤外線固体撮像素子の各構成部分について詳細に説明する。
まず、差動積分回路7について説明する。図5は差動積分回路7の構成例を示す。この回路は、本発明者が先に開示した差動積分回路(特開2002−188959号公報)と同じであり、演算増幅器を用いた一般的な構成にくらべ構成が簡略になるという効果がある。この差動積分回路7は、定電流源2の両端電圧と定電流源20の両端電圧を入力側に接続した差動電圧電流変換アンプ125と、差動電圧電流変換アンプ125の出力側に接続された積分容量126と、積分容量126を周期的に電圧Vrefにリセットするように接続されたリセットトランジスタ127を備える。差動電圧電流変換アンプ125は、負帰還なしの状態で接続されており、その出力インピーダンスと積分容量125のキャパシタンスCとの積(=時定数)は、積分時間Tの5倍以上となるように設定されている。積分容量126の入力端には、サンプルホールド用トランジスタ45、サンプルホールド容量47およびリセットトランジスタ46から成るサンプルホールド回路128が接続されている。積分後の出力は、サンプルホールド回路128でサンプリングされ、バッファ129を介して出力される。図5の差動積分回路7では、負帰還をしない状態の差動電圧電流変換アンプ125を用いて積分回路を構成しているため、回路構成が簡略となる。
特開2002−188959号公報
Hereinafter, each component of the thermal infrared solid-state imaging device according to the present embodiment will be described in detail.
First, the differential integration circuit 7 will be described. FIG. 5 shows a configuration example of the differential integration circuit 7. This circuit is the same as the differential integration circuit (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-188959) previously disclosed by the present inventor, and has an effect that the configuration is simplified compared to a general configuration using an operational amplifier. . The differential integration circuit 7 is connected to a differential voltage / current conversion amplifier 125 in which the voltage across the constant current source 2 and the voltage across the constant current source 20 are connected to the input side, and to the output side of the differential voltage / current conversion amplifier 125. And a reset transistor 127 connected so as to periodically reset the integration capacitor 126 to the voltage Vref. The differential voltage-current conversion amplifier 125 is connected without negative feedback, and the product (= time constant) of its output impedance and the capacitance C i of the integration capacitor 125 is at least five times the integration time T i. It is set to be. A sample and hold circuit 128 including a sample and hold transistor 45, a sample and hold capacitor 47, and a reset transistor 46 is connected to the input terminal of the integration capacitor 126. The integrated output is sampled by the sample hold circuit 128 and output through the buffer 129. In the differential integration circuit 7 of FIG. 5, the integration circuit is configured using the differential voltage-current conversion amplifier 125 in a state where no negative feedback is performed, and thus the circuit configuration is simplified.
JP 2002-188959 A

次に、低域通過フィルタ16,18について説明する。低域通過フィルタ16と18は、参照画素12に対応する出力やサンプルホールド回路13、バイアス発生回路14などで発生する雑音をカットし温度ドリフト成分のみを抽出する。一般に、高S/Nを目指す赤外線検出器では、電源系の雑音は電源回路で充分低減されており、検出部からの雑音が装置の雑音主成分となる。バイアス発生回路14の出力には、参照画素12で発生した雑音成分として含まれるが、参照画素12の雑音成分と画素1の雑音成分は無相関である。このため、差動積分回路7からの出力における雑音が画素1の出力のみを積分する場合に比べて√2倍になる。一方、環境温度変化による検出部出力変化や、環境温度変化に伴う電源回路特性変動による電源電圧の変化は、その変動が一般に秒オーダ以上の緩やかなものである。したがって、それをバイアス電圧が通過するラインの帯域は、赤外線を検出する信号ラインに必要な帯域にくらべて充分狭くてもよい。そこで、増幅器11から差動積分回路7の入力端子にフィードバックするライン上に低域通過フィルタ16と18を入れ、温度ドリフト成分のみを通過するようにすれば、差動による雑音増加を抑制できる。なお、このような赤外線固体撮像素子の画素にとっての雑音帯域幅の代表的な値は数KHzであるので、その1/100以下にカットオフ周波数を決めておけばよい。素子温度変動の観点からは、その変動周期は早くて秒オーダであるから数Hzの帯域があれば十分である。また、本実施の形態では低域通過フィルタ16、18をバッファ17の前後に挿入しているが、いずれか一方だけでもよい。   Next, the low-pass filters 16 and 18 will be described. The low-pass filters 16 and 18 cut out the noise corresponding to the output corresponding to the reference pixel 12, the sample hold circuit 13, the bias generation circuit 14, and the like, and extract only the temperature drift component. In general, in an infrared detector aiming at high S / N, the noise of the power supply system is sufficiently reduced by the power supply circuit, and the noise from the detection unit becomes the main noise component of the apparatus. The output of the bias generation circuit 14 is included as a noise component generated in the reference pixel 12, but the noise component of the reference pixel 12 and the noise component of the pixel 1 are uncorrelated. For this reason, the noise in the output from the differential integration circuit 7 is √2 times that in the case where only the output of the pixel 1 is integrated. On the other hand, changes in the output of the detection unit due to changes in the environmental temperature and changes in the power supply voltage due to fluctuations in the power supply circuit characteristics due to changes in the environmental temperature are generally gradual over the order of seconds. Therefore, the band of the line through which the bias voltage passes may be sufficiently narrower than the band necessary for the signal line for detecting infrared rays. Therefore, if low-pass filters 16 and 18 are inserted on a line that feeds back from the amplifier 11 to the input terminal of the differential integration circuit 7 so as to pass only the temperature drift component, an increase in noise due to the differential can be suppressed. Note that a typical value of the noise bandwidth for a pixel of such an infrared solid-state image sensor is several KHz, and therefore the cut-off frequency may be determined to be 1/100 or less. From the standpoint of element temperature fluctuation, the fluctuation period is fast and on the order of seconds, so a band of several Hz is sufficient. In the present embodiment, the low-pass filters 16 and 18 are inserted before and after the buffer 17, but only one of them may be used.

図6の(a)と(b)は低域通過フィルタ16及び18の回路構成例を示す。以下に示す構成は、低域通過フィルタ16及び18のいずれにも用いることができる。図6の(a)の低域通過フィルタは、受動素子を用いたものであり、抵抗もしくはリアクタンス130と容量131を用いる。バッファアンプ17の後側に挿入するフィルタ(=低域通過フィルタ18)としては直流電圧降下がないリアクタンスのほうが望ましい。一方、バッファアンプ17の手前側に設けるフィルタ(=低域通過フィルタ16)としては、フィルタとしての特性が得られやすい抵抗を用いるほうが望ましい。また、抵抗130は、電源回路6の内部抵抗あるいはバッファアンプ17の内部抵抗で代用してもよい。図6の(b)の低域通過フィルタは、能動素子である演算増幅器132および抵抗137,容量138を用いた積分回路であり、この回路構成も低域通過フィルタとして一般的であるので詳細な説明は省略する。   6A and 6B show circuit configuration examples of the low-pass filters 16 and 18. FIG. The configuration shown below can be used for both the low-pass filters 16 and 18. The low-pass filter in FIG. 6A uses a passive element, and uses a resistor or reactance 130 and a capacitor 131. As a filter (= low-pass filter 18) inserted on the rear side of the buffer amplifier 17, a reactance having no DC voltage drop is desirable. On the other hand, as a filter (= low-pass filter 16) provided on the front side of the buffer amplifier 17, it is desirable to use a resistor that can easily obtain characteristics as a filter. The resistor 130 may be replaced with the internal resistance of the power supply circuit 6 or the internal resistance of the buffer amplifier 17. The low-pass filter in FIG. 6B is an integrating circuit using an operational amplifier 132, a resistor 137, and a capacitor 138, which are active elements. Since this circuit configuration is also generally used as a low-pass filter, a detailed description will be given. Description is omitted.

なお、低域通過フィルタ16及び18は、図6の(a)及び(b)に例示するものに限定されるものではなく、他のフィルタ(たとえば、スイッチトキャパシタ回路)を用いることもできる。また、低域通過フィルタ16及び18は、バッファアンプ17の前側か後側のいずれか一方だけに設けても良いが、その場合はバッファアンプ17の前側のフィルタ(=フィルタ16)を残すことが好ましい。バッファアンプ17の後側には大きな電流が流れるため、フィルタでの電圧降下がバイアス電圧の変動の原因となるからである。   The low-pass filters 16 and 18 are not limited to those illustrated in FIGS. 6A and 6B, and other filters (for example, switched capacitor circuits) can be used. Further, the low-pass filters 16 and 18 may be provided only on either the front side or the rear side of the buffer amplifier 17, but in this case, the front filter (= filter 16) of the buffer amplifier 17 may be left. preferable. This is because a large current flows to the rear side of the buffer amplifier 17, and a voltage drop at the filter causes a fluctuation of the bias voltage.

次に、感光画素1の構造について説明する。図7において、(a)及び(b)は、本実施の形態に係る熱型赤外線固体撮像素子における画素1の構造例を模式的に示す断面図及び斜視図である。画素1において、温度センサとなるPN接合ダイオード902が、シリコン基板1102に設けられた中空部1103の上に、2本の長い支持脚1101によって支持されており、ダイオード902の電極配線1104が支持脚1101に埋め込まれている。PN接合ダイオード902は、感度を高めるために複数個が直列に接続されていることが好ましい。中空部1103は、ダイオード902とシリコン基板1102との間の熱抵抗を高めて、断熱構造を形成している。この例では、ダイオード902がSOI基板のSOI層上に形成されており、SOI層下の埋め込み酸化膜が中空構造を支持する構造体の一部になっている。また、ダイオード部に熱的に接触している赤外線吸収構造1106が、図の上方から入射する赤外線を効率良く吸収できるように、支持脚1101の上方に張り出した構造となっている。なお、図7の(b)では、下部の構造を判りやすくするため、図の前方の部分での赤外線吸収構造を除いて描いてある。   Next, the structure of the photosensitive pixel 1 will be described. 7A and 7B are a cross-sectional view and a perspective view schematically showing a structural example of the pixel 1 in the thermal infrared solid-state imaging device according to the present embodiment. In the pixel 1, a PN junction diode 902 serving as a temperature sensor is supported by two long support legs 1101 on a hollow portion 1103 provided on the silicon substrate 1102, and the electrode wiring 1104 of the diode 902 is supported by the support legs. 1101 is embedded. A plurality of PN junction diodes 902 are preferably connected in series in order to increase sensitivity. The hollow portion 1103 increases the thermal resistance between the diode 902 and the silicon substrate 1102 to form a heat insulating structure. In this example, the diode 902 is formed on the SOI layer of the SOI substrate, and the buried oxide film under the SOI layer is a part of the structure that supports the hollow structure. In addition, the infrared absorption structure 1106 that is in thermal contact with the diode portion has a structure that protrudes above the support leg 1101 so that infrared rays incident from above can be efficiently absorbed. In FIG. 7B, in order to make the structure of the lower part easier to understand, it is drawn excluding the infrared absorption structure in the front part of the figure.

赤外線が画素1に入射すると、赤外線吸収構造1106で吸収され、上記の断熱構造により画素1の温度が変化し、温度センサとなるダイオード902の順方向電圧特性が変化する。このダイオード902の順方向電圧特性の変化量を、所定の検出回路で読み取ることにより、入射した赤外線量に応じた出力信号を取り出せる。熱型赤外線固体撮像素子では、画素1が2次元に多数配列されており、それらを順にアクセスしていく構造となっている。このような素子では画素間の特性均一性が重要であるが、ダイオードの順方向電圧やその温度依存性は固体間のバラツキが非常に小さく、熱型赤外線撮像素子にとって温度センサにダイオードを用いることは特性均一性を図る上で特に有効である。なお、本発明において、赤外線吸収構造は、素子に入射した赤外線を吸収して温度センサの温度上昇を生ぜしめる構造であれば良く、上記形態には限定されない。また、本発明において、断熱構造は、赤外線吸収による温度センサの温度変化を妨げる構造であればよく、上記の中空構造には限定されない。   When infrared rays are incident on the pixel 1, the infrared rays are absorbed by the infrared absorption structure 1106, the temperature of the pixel 1 is changed by the heat insulation structure, and the forward voltage characteristics of the diode 902 serving as a temperature sensor are changed. By reading the amount of change in the forward voltage characteristic of the diode 902 with a predetermined detection circuit, an output signal corresponding to the amount of incident infrared rays can be extracted. The thermal infrared solid-state imaging device has a structure in which a large number of pixels 1 are two-dimensionally arranged and accessed in order. In such an element, the uniformity of characteristics between pixels is important, but the forward voltage of the diode and its temperature dependence have very little variation between solids, and a diode is used as a temperature sensor for a thermal infrared imaging device. Is particularly effective in achieving uniformity of characteristics. In the present invention, the infrared absorption structure may be any structure that absorbs infrared rays incident on the element and causes the temperature sensor to rise in temperature, and is not limited to the above form. Moreover, in this invention, the heat insulation structure should just be a structure which prevents the temperature change of the temperature sensor by infrared absorption, and is not limited to said hollow structure.

次に、参照画素12と、参照信号を出力する参照信号出力回路について説明する。画素エリアの一部の画素から断熱構造及び/又は赤外線吸収構造を除外して参照画素12とする。参照画素12を用いて、製造条件のわずかな違いによる特性のズレを防止して、画素1の温度応答特性を一層精度良く模擬することができる。その場合、撮像画像に参照画素の信号が現れないように、参照画素を画素エリアの水平又は垂直の1辺に設けることが好ましい。本実施の形態では、画素エリア内の左側1列分の画素から断熱構造及び/又は赤外線吸収構造を除外することによって参照画素12の1列を構成している。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なくすほかは、画素1と実質的に同一の構造の画素を参照画素12とすることにより、素子温度変化による変動(温度ドリフト)のみを検出できる。赤外線吸収に対する感度が必要なレベルにまで落ちれば、断熱構造と赤外線吸収構造のいずれか一方は残していても良い。参照画素12は、電源6と定電流源2によって定電流駆動されており、定電流源2の両端電圧を参照信号Vprとして出力する。すなわち、参照画素12、電源6及び定電流源2によって参照信号出力回路が構成されている。参照画素12によって参照信号を出力することにより、素子温度に対する画素1の応答特性を正確に模擬することができ、精度の高い温度ドリフト補正が可能となる。なお、参照信号出力回路において、参照画素ではなくサーミスタを利用することも、もちろん可能である。 Next, the reference pixel 12 and the reference signal output circuit that outputs a reference signal will be described. The heat insulation structure and / or the infrared absorption structure is excluded from a part of the pixels in the pixel area to obtain the reference pixel 12. By using the reference pixel 12, it is possible to prevent the deviation of characteristics due to a slight difference in manufacturing conditions, and to simulate the temperature response characteristics of the pixel 1 with higher accuracy. In that case, it is preferable to provide the reference pixel on one horizontal or vertical side of the pixel area so that the signal of the reference pixel does not appear in the captured image. In the present embodiment, one row of reference pixels 12 is configured by excluding the heat insulation structure and / or the infrared absorption structure from the left one column of pixels in the pixel area. Except for eliminating one or both of the heat insulation structure and the infrared absorption structure, a pixel having substantially the same structure as that of the pixel 1 is used as the reference pixel 12, so that only a variation (temperature drift) due to a change in element temperature can be detected. . If the sensitivity to infrared absorption falls to a necessary level, either the heat insulation structure or the infrared absorption structure may be left. The reference pixel 12 is driven with a constant current by the power source 6 and the constant current source 2, and outputs the voltage across the constant current source 2 as a reference signal V pr . That is, the reference pixel 12, the power source 6, and the constant current source 2 constitute a reference signal output circuit. By outputting a reference signal by the reference pixel 12, the response characteristic of the pixel 1 with respect to the element temperature can be accurately simulated, and highly accurate temperature drift correction can be performed. Of course, it is possible to use a thermistor instead of a reference pixel in the reference signal output circuit.

次に、サンプルホールド回路13等について説明する。サンプルホールド回路13等のサンプルホールド回路の構成は、特に限定されず、たとえば図5に示したサンプルホールド回路128と同じものを用いることもできる。また、図8は、サンプルホールド回路13の他の例を示す。図8は、オペアンプ133を用いた周知の例であり、サンプルホールド容量134にサンプルホールドスイッチ135が接続されている。サンプルホールドスイッチ135のゲートには参照画素12の出力タイミングでクロックが与えられ、スイッチが開状態となる。   Next, the sample hold circuit 13 and the like will be described. The configuration of the sample hold circuit such as the sample hold circuit 13 is not particularly limited, and for example, the same configuration as the sample hold circuit 128 shown in FIG. 5 can be used. FIG. 8 shows another example of the sample and hold circuit 13. FIG. 8 is a well-known example using the operational amplifier 133, and a sample and hold switch 135 is connected to the sample and hold capacitor 134. A clock is supplied to the gate of the sample hold switch 135 at the output timing of the reference pixel 12, and the switch is opened.

図9に、複数の参照画素12の出力を平均化してサンプルホールドする場合の回路を示す。この回路例では、図8の回路の前段に、図6の(a)又は(b)に示したような低域通過フィルタ136を設ける。平均化する参照画素は時間に対して連続的に出力されるので、フィルタの時定数を時間に対する出力変化が抑制されるように設定すればよい。   FIG. 9 shows a circuit in the case where the outputs of a plurality of reference pixels 12 are averaged and sampled and held. In this circuit example, a low-pass filter 136 as shown in (a) or (b) of FIG. 6 is provided before the circuit of FIG. Since the reference pixels to be averaged are output continuously with respect to time, the time constant of the filter may be set so that the output change with respect to time is suppressed.

なお、いうまでもなく、本実施の形態において、第1のサンプルホールド回路13、欠陥判定回路23、第2のサンプルホールド回路25、AND回路27、バイアス発生回路14、低域通過フィルタ16、18およびバッファアンプ17を画素1と同一チップに設けてもよく、チップ外に設けてもよい。また、バッファアンプ18の機能はバイアス発生回路14に含めてもよい。また、参照画素12に対応するバッファアンプ11の出力の変化を抑制する向きであれば、差動積分回路7、バイアス発生回路14のプラス、マイナス側入力の接続構成はこの例に限らない。たとえば、図1においてプラス、マイナス側入力の向きを全て逆転してもよい。一方のみ逆転し、バッファアンプ17に反転アンプを含めてもよい。   Needless to say, in the present embodiment, the first sample hold circuit 13, the defect determination circuit 23, the second sample hold circuit 25, the AND circuit 27, the bias generation circuit 14, and the low-pass filters 16, 18 are used. The buffer amplifier 17 may be provided on the same chip as the pixel 1 or may be provided outside the chip. The function of the buffer amplifier 18 may be included in the bias generation circuit 14. In addition, the connection configuration of the positive and negative inputs of the differential integration circuit 7 and the bias generation circuit 14 is not limited to this example as long as the change in the output of the buffer amplifier 11 corresponding to the reference pixel 12 is suppressed. For example, in FIG. 1, the directions of plus and minus side inputs may all be reversed. Only one of them may be reversed, and the buffer amplifier 17 may include an inverting amplifier.

実施の形態2.
図10は、本発明の実施の形態2に係る熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。基本構成は、実施の形態1と同様であるが、出力信号10には、複数個のサンプルホールド回路が接続される。ここでは、サンプルホールド回路の個数が2個の場合を1例として説明する。出力信号10には、第1のサンプルホールド回路13および第2のサンプルホールド回路21が接続される。第1のサンプルホールド回路13は、参照画素列の奇数行目の出力信号が、出力信号10に出力されているタイミングでサンプルホールド動作を行うよう、第3サンプルホールドタイミング信号が入力される。また、第2のサンプルホールド回路21は、参照画素列の偶数行目の出力信号が、出力信号10に出力されているタイミングでサンプルホールド動作を行うよう、第4サンプルホールドタイミング信号が入力される。第1のサンプルホールド回路13および第2のサンプルホールド回路21の出力信号はそれぞれアナログ信号平均回路22に入力され、この平均値回路22により、第1のサンプルホールド回路13および第2のサンプルホールド回路21の出力信号の平均電圧値がバイアス発生回路14に出力される。平均回路22により出力される、参照画素列の奇数行目の出力信号のサンプルホールド電圧値と参照画素列の偶数行目の出力信号のサンプルホールド電圧値の平均電圧値は、バイアス発生回路(基本的には減算回路)14のマイナス側端子に入力され、その差に応じたバイアス電圧が生成される。生成したバイアス電圧は、低域通過フィルタ16、バッファアンプ17及び低域通過フィルタ18を介してバイアス線19に入力される。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 10 is a circuit diagram showing a thermal infrared solid-state imaging device according to Embodiment 2 of the present invention. The basic configuration is the same as that of the first embodiment, but a plurality of sample and hold circuits are connected to the output signal 10. Here, a case where the number of sample and hold circuits is two will be described as an example. A first sample hold circuit 13 and a second sample hold circuit 21 are connected to the output signal 10. The first sample hold circuit 13 receives the third sample hold timing signal so that the sample hold operation is performed at the timing when the output signal of the odd-numbered row of the reference pixel column is output as the output signal 10. The second sample and hold circuit 21 receives the fourth sample and hold timing signal so that the output signal of the even-numbered row of the reference pixel column performs the sample and hold operation at the timing when the output signal 10 is output. . The output signals of the first sample hold circuit 13 and the second sample hold circuit 21 are respectively input to the analog signal averaging circuit 22, and the average value circuit 22 causes the first sample hold circuit 13 and the second sample hold circuit to be input. The average voltage value of the 21 output signals is output to the bias generation circuit 14. The average voltage value of the sample-and-hold voltage value of the output signal in the odd-numbered row of the reference pixel column and the sample-and-hold voltage value of the output signal in the even-numbered row of the reference pixel column that are output by the averaging circuit 22 Specifically, a bias voltage corresponding to the difference is generated. The generated bias voltage is input to the bias line 19 via the low-pass filter 16, the buffer amplifier 17, and the low-pass filter 18.

平均回路としては、図11のようなスイッチトキャパシタ回路を用いた平均回路104のほか、いかなるアナログ信号平均回路を用いてもよい。図6に示す平均回路104は、オペアンプ105と、3個のキャパシタ106、107、108から構成されており、キャパシタ106の容量値C2は、キャパシタ107、108の容量値C1の2倍になるよう作製される。   As the average circuit, any analog signal average circuit may be used in addition to the average circuit 104 using the switched capacitor circuit as shown in FIG. The averaging circuit 104 shown in FIG. 6 includes an operational amplifier 105 and three capacitors 106, 107, and 108. The capacitance value C2 of the capacitor 106 is twice the capacitance value C1 of the capacitors 107 and 108. Produced.

本実施形態では、熱型赤外線固体撮像素子を提供するにおいて、複数のサンプルホールド回路を用いて複数の参照画素の平均値(たとえば、奇数行目の参照画素列の出力電圧と偶数行目の参照画素の出力電圧)を差動積分回路にフィードバックすることにより、微小な出力電圧異常を伴う欠陥画素であった場合においても、欠陥画素の影響を最小限化することが可能となる。これにより製造歩留りの低下を引き起こさない。また、従来どおり、駆動線での電圧降下によるオフセット分布と、素子温度変動による温度ドリフトを抑制する。これにより、画像出力不良が発生せず、歩留まり低下を回避可能となり、コスト低減が実現される。   In this embodiment, in providing a thermal infrared solid-state imaging device, an average value of a plurality of reference pixels (for example, an output voltage of an odd-numbered reference pixel column and a reference of an even-numbered row using a plurality of sample and hold circuits) By feeding back the output voltage of the pixel) to the differential integration circuit, it is possible to minimize the influence of the defective pixel even in the case of a defective pixel with a minute output voltage abnormality. This does not cause a decrease in manufacturing yield. Further, as in the past, offset distribution due to voltage drop in the drive line and temperature drift due to element temperature fluctuation are suppressed. As a result, image output failure does not occur, yield reduction can be avoided, and cost reduction is realized.

実施の形態3.
図12は、本発明の実施の形態3に係る熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。基本構成は、実施の形態1と同様であるが、出力信号10には、複数個のサンプルホールド回路が接続される。ここでは、個数が2個の場合を1例として説明する。すなわち、出力信号10に、第1のサンプルホールド回路13および第2のサンプルホールド回路21が接続される。第1のサンプルホールド回路13は、参照画素列の奇数行目の出力信号が、出力信号10に出力されているタイミングでサンプルホールド動作を行うよう、第3のサンプルホールドタイミング信号が入力される。また、第2のサンプルホールド回路21は、参照画素列の偶数行目の出力信号が、出力信号10に出力されているタイミングでサンプルホールド動作を行うよう、第4のサンプルホールドタイミング信号が入力される。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 12 is a circuit diagram showing a thermal infrared solid-state imaging device according to Embodiment 3 of the present invention. The basic configuration is the same as that of the first embodiment, but a plurality of sample and hold circuits are connected to the output signal 10. Here, the case where the number is two will be described as an example. That is, the first sample hold circuit 13 and the second sample hold circuit 21 are connected to the output signal 10. The first sample hold circuit 13 receives the third sample hold timing signal so that the sample hold operation is performed at the timing when the output signal of the odd-numbered row of the reference pixel column is output to the output signal 10. The second sample and hold circuit 21 receives the fourth sample and hold timing signal so that the output signal of the even-numbered row of the reference pixel column performs the sample and hold operation at the timing when the output signal 10 is output. The

第1のサンプルホールド回路13の出力信号は、第1の欠陥判定回路23および第3のサンプルホールド回路25に入力される。第1の欠陥判定回路23は、第1のサンプルホールド回路13の出力信号で得られる参照画素列の奇数行目の出力信号が、「黒点欠陥」か「白点欠陥」であるかを判定する。欠陥判定回路23の構成については実施の形態1と同様である。第1の欠陥判定回路23により参照画素列の奇数行目の出力信号が「黒点欠陥」や「白点欠陥」ではないと判定された場合は、第1の欠陥判定回路23は、デジタル出力にてHighレベルを出力し、第1のAND回路27に入力される。第1のAND回路27のもう1つの入力には、第5サンプルホールドタイミング信号が入力される。第1の欠陥判定回路23の出力がHighレベルであれば、第5サンプルホールドタイミング信号は、クロック波形が変化することなく、第3のサンプルホールド回路25の制御信号として入力される。第3のサンプルホールド回路25は、第5サンプルホールドタイミング信号のタイミングで第1のサンプルホールド回路13の出力電圧をサンプルホールドする。ここで、第5サンプルホールドタイミング信号は、前述の第3サンプルホールドタイミング信号に比べ、サンプルホールドのタイミングが任意の区間遅延された信号である。よって、参照画素列の奇数行目の出力信号が反映されることとなる。一方、第1の欠陥判定回路23により参照画素列の奇数行目の出力信号が「黒点欠陥」や「白点欠陥」であると判定された場合は、欠陥判定回路23はデジタル出力にてLowレベルを出力するため、Lowレベルが第3のサンプルホールド回路25の制御信号として入力され、第1のサンプルホールド回路13の出力電圧をサンプルホールドする動作は行われず、前回の参照画素の出力が反映されたままで更新されないこととなる。   The output signal of the first sample hold circuit 13 is input to the first defect determination circuit 23 and the third sample hold circuit 25. The first defect determination circuit 23 determines whether the output signal of the odd-numbered row of the reference pixel column obtained from the output signal of the first sample hold circuit 13 is a “black spot defect” or a “white spot defect”. . The configuration of the defect determination circuit 23 is the same as that in the first embodiment. When the first defect determination circuit 23 determines that the output signal of the odd-numbered row of the reference pixel column is not “black spot defect” or “white spot defect”, the first defect determination circuit 23 outputs the digital output. The high level is output to the first AND circuit 27. The fifth sample hold timing signal is input to the other input of the first AND circuit 27. If the output of the first defect determination circuit 23 is at a high level, the fifth sample hold timing signal is input as a control signal for the third sample hold circuit 25 without changing the clock waveform. The third sample and hold circuit 25 samples and holds the output voltage of the first sample and hold circuit 13 at the timing of the fifth sample and hold timing signal. Here, the fifth sample hold timing signal is a signal obtained by delaying the sample hold timing by an arbitrary interval as compared with the third sample hold timing signal described above. Therefore, the output signal of the odd-numbered row of the reference pixel column is reflected. On the other hand, when the first defect determination circuit 23 determines that the output signal of the odd-numbered row of the reference pixel column is a “black spot defect” or a “white spot defect”, the defect determination circuit 23 is set to Low by digital output. In order to output the level, the low level is input as the control signal of the third sample and hold circuit 25, and the operation of sample and holding the output voltage of the first sample and hold circuit 13 is not performed, and the output of the previous reference pixel is reflected. Will not be updated.

また、第2のサンプルホールド回路21の出力信号は、第2の欠陥判定回路24および第4のサンプルホールド回路26に入力される。第2の欠陥判定回路24は、第1のサンプルホールド回路13の出力信号で得られる参照画素列の偶数行目の出力信号が、「黒点欠陥」か「白点欠陥」であるかを判定する。第2の欠陥判定回路24により参照画素列の偶数行目の出力信号が「黒点欠陥」や「白点欠陥」ではないと判定された場合は、第2の欠陥判定回路24は、デジタル出力にてHighレベルを出力し、第2のAND回路28に入力される。第2のAND回路28のもう1入力には、第6サンプルホールドタイミング信号が入力される。第2の欠陥判定回路24の出力がHighレベルであれば、サンプルホールドタイミング信号6は、クロック波形が変化することなく、第4のサンプルホールド回路26の制御信号として入力される。第4のサンプルホールド回路26は、第6サンプルホールドタイミング信号のタイミングで第2のサンプルホールド回路21の出力電圧をサンプルホールドする。ここで、第6サンプルホールドタイミング信号は、前述の第4サンプルホールドタイミング信号に比べ、サンプルホールドのタイミングが任意の区間遅延された信号である。よって、参照画素列の偶数行目の出力信号が反映されることとなる。一方、第2の欠陥判定回路24により参照画素列の偶数行目の出力信号が「黒点欠陥」や「白点欠陥」であると判定された場合は、欠陥判定回路はデジタル出力にてLowレベルを出力するため、Lowレベルが第4のサンプルホールド回路26の制御信号として入力され、第2のサンプルホールド回路21の出力電圧をサンプルホールドする動作は行われず、前回の参照画素の出力が反映されたままで更新されないこととなる。   The output signal of the second sample and hold circuit 21 is input to the second defect determination circuit 24 and the fourth sample and hold circuit 26. The second defect determination circuit 24 determines whether the output signal of the even-numbered row of the reference pixel column obtained from the output signal of the first sample hold circuit 13 is a “black spot defect” or a “white spot defect”. . When the second defect determination circuit 24 determines that the output signal of the even-numbered row of the reference pixel column is not “black spot defect” or “white spot defect”, the second defect determination circuit 24 outputs the digital output. The high level is output to the second AND circuit 28. The sixth sample hold timing signal is input to the other input of the second AND circuit 28. If the output of the second defect determination circuit 24 is at a high level, the sample hold timing signal 6 is input as a control signal for the fourth sample hold circuit 26 without changing the clock waveform. The fourth sample and hold circuit 26 samples and holds the output voltage of the second sample and hold circuit 21 at the timing of the sixth sample and hold timing signal. Here, the sixth sample and hold timing signal is a signal obtained by delaying the sample and hold timing by an arbitrary period as compared with the above-described fourth sample and hold timing signal. Therefore, the output signal of the even-numbered row of the reference pixel column is reflected. On the other hand, when the second defect determination circuit 24 determines that the output signal of the even-numbered row of the reference pixel column is a “black spot defect” or a “white spot defect”, the defect determination circuit outputs a low level as a digital output. Therefore, the low level is input as the control signal of the fourth sample and hold circuit 26, and the operation of sampling and holding the output voltage of the second sample and hold circuit 21 is not performed, and the output of the previous reference pixel is reflected. It will not be updated.

第3、第4のサンプルホールド回路25、26の出力は、平均回路22に入力され、平均電圧値が出力され、その信号は、バイアス発生回路(基本的には減算回路)14のマイナス側端子に入力され、その差に応じたバイアス電圧が生成される。生成したバイアス電圧は、低域通過フィルタ16、バッファアンプ17及び低域通過フィルタ18を介してバイアス線19に入力される。   The outputs of the third and fourth sample and hold circuits 25 and 26 are input to the averaging circuit 22, and an average voltage value is output. The signal is the negative terminal of the bias generation circuit (basically a subtraction circuit) 14. And a bias voltage corresponding to the difference is generated. The generated bias voltage is input to the bias line 19 via the low-pass filter 16, the buffer amplifier 17, and the low-pass filter 18.

本実施形態では、複数個の参照画素の参照出力の平均値をフィードバックすることにより、微小な出力電圧値の不良を伴う欠陥画素の影響を最小限化することが可能となり、微小な出力電圧値の不良を伴う欠陥画素の出力をフィードバックし、行単位での画像出力不良を引き起こす不良による歩留まり低下を発生させず、コストの増大を回避できるという新しい効果を得ることができる。具体的には、欠陥判定回路を用い、ある行における参照画素が「黒点欠陥」や「白点欠陥」といった欠陥画素である場合には、フィードバック対象信号として更新せず、前回の参照画素の出力をそのまま維持した信号をフィードバックする。これにより、欠陥画素の出力をフィードバックし、行単位での画像出力不良を引き起こす不良による歩留まり低下を発生させず、コストの増大を回避できる。   In this embodiment, by feeding back the average value of the reference outputs of a plurality of reference pixels, it becomes possible to minimize the influence of defective pixels accompanied by a minute output voltage value defect. Thus, it is possible to feed back the output of the defective pixel accompanied by the defect, and to obtain a new effect of avoiding an increase in cost without causing a decrease in yield due to a defect that causes an image output defect in units of rows. Specifically, if the reference pixel in a certain row is a defective pixel such as “black spot defect” or “white spot defect” using a defect determination circuit, the previous reference pixel output is not updated as a feedback target signal. The signal is maintained as it is. As a result, the output of defective pixels is fed back, yield reduction due to defects that cause image output defects in units of rows does not occur, and an increase in cost can be avoided.

以上のように、本実施形態の熱型赤外線固体撮像素子では、駆動線での電圧降下によるオフセット分布と、素子温度変動による温度ドリフトを抑制しつつ、かつ、画素欠陥により出力不良を防止し、さらに、参照画素列に微小な出力電圧異常を伴う欠陥画素が存在した場合においても、画像出力不良が発生しない。これにより、製造歩留りの低下を引き起こさず、コスト低減が実現される。   As described above, in the thermal infrared solid-state imaging device of the present embodiment, the offset distribution due to the voltage drop in the drive line and the temperature drift due to the device temperature fluctuation are suppressed, and the output defect is prevented by the pixel defect. Further, even when a defective pixel having a minute output voltage abnormality exists in the reference pixel column, no image output defect occurs. Thereby, cost reduction is realized without causing a decrease in manufacturing yield.

本発明の実施の形態1による熱型赤外線固体撮像素子を示す回路ブロック図である。1 is a circuit block diagram showing a thermal infrared solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明に用いる黒点欠陥判定回路の例を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the example of the black spot defect determination circuit used for this invention. 本発明に用いる白点欠陥判定回路の例を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the example of the white spot defect determination circuit used for this invention. 本発明に用いる欠陥判定回路の例を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the example of the defect determination circuit used for this invention. 本発明に用いる差動積分回路の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the differential integration circuit used for this invention. 本発明に用いる低域通過フィルタの例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the example of the low-pass filter used for this invention. 本発明に係る熱型赤外線固体撮像素子の画素構造の例を示す断面図(a)及び斜視図(b)である。It is sectional drawing (a) and a perspective view (b) which show the example of the pixel structure of the thermal type infrared solid-state image sensor concerning this invention. 本発明に用いるサンプルホールド回路の例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the example of the sample hold circuit used for this invention. 本発明に用いるサンプルホールド回路の別の例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows another example of the sample hold circuit used for this invention. 本発明の実施の形態2による熱型赤外線固体撮像素子を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the thermal type infrared solid-state image sensor by Embodiment 2 of this invention. 本発明に用いる平均回路の例を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the example of the average circuit used for this invention. 本発明の実施の形態3による熱型赤外線固体撮像素子を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the thermal type infrared solid-state image sensor by Embodiment 3 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 画素、 2 第1群の定電流源、 3 駆動線、 4 垂直駆動回路、 7 差動積分回路、 8 水平駆動回路、 12 参照画素、 13 第1のサンプルホールド回路、 14 バイアス発生回路、 16及び18 低域通過フィルタ、 17 バッファアンプ、 20 第2群の定電流源、 21 第2のサンプルホールド回路、 22 平均回路、 23 第1の欠陥判定回路、 24 第2の欠陥判定回路、 25 第3のサンプルホールド回路、 26 第4のサンプルホールド回路、 27 第1のAND回路、 28 第2のAND回路。   1 pixel, 2 first group constant current source, 3 drive line, 4 vertical drive circuit, 7 differential integration circuit, 8 horizontal drive circuit, 12 reference pixel, 13 first sample and hold circuit, 14 bias generation circuit, 16 And 18 Low-pass filter, 17 Buffer amplifier, 20 Second group constant current source, 21 Second sample and hold circuit, 22 Average circuit, 23 First defect determination circuit, 24 Second defect determination circuit, 25 3 sample and hold circuit, 26 fourth sample and hold circuit, 27 first AND circuit, 28 second AND circuit.

Claims (6)

断熱構造と赤外線吸収構造を有し、少なくとも1個以上の直列に接続されたダイオードを備える複数の感光画素と、複数の参照画素とからなる画素の2次元行列を設けた画素エリアと、
前記感光画素および参照画素の一方の極を行ごとに共通に接続した複数の駆動線と、
前記複数の駆動線の1つを選択し電源に接続する垂直走査回路と、
前記複数の駆動線とほぼ同一の電圧降下を生じるように前記複数の駆動線に並列に配置され、列ごとにそれぞれ設けられる第2の定電流源を共通に接続し、バイアス電圧がフィードバックされるバイアス線と、
前記感光画素および参照画素の他方の極を列ごとに共通に接続した複数の信号線であって、それぞれに複数の第1の定電流源の1つが接続された複数の信号線と、
前記感光画素および参照画素の列ごとに設けられ、前記第1の定電流源と前記第2の定電流源の両端電圧を入力し、前記両端電圧の差を一定時間積分して出力する複数の差動積分回路と、
前記複数の差動積分回路の出力信号の1つを選択して出力端子に導く水平走査回路と、
前記垂直操作回路および前記水平走査回路により選択された前記参照画素について前記差動積分回路の出力信号をサンプルし保持するサンプルホールド回路と、
前記サンプルホールド回路に保持されている出力信号をもとに、選択された前記参照画素が欠陥画素か否かを判定し、欠陥画素でないと判断したときに、前記出力信号を出力する欠陥判定回路と、
前記サンプルホールド回路から出力される前記出力信号と基準電圧との差に応じた前記バイアス電圧を生成し、前記バイアス線にフィードバックするバイアス電圧生成回路と
からなる熱型赤外線固体撮像素子。
A pixel area having a two-dimensional matrix of pixels each including a plurality of photosensitive pixels having a heat insulating structure and an infrared absorption structure and including at least one or more diodes connected in series; and a plurality of reference pixels;
A plurality of drive lines that commonly connect one pole of the photosensitive pixel and the reference pixel for each row;
A vertical scanning circuit for selecting one of the plurality of drive lines and connecting to a power source;
A second constant current source arranged in parallel to each of the plurality of drive lines so as to generate a voltage drop substantially the same as that of the plurality of drive lines is provided in common for each column, and a bias voltage is fed back. A bias line;
A plurality of signal lines in which the other poles of the photosensitive pixel and the reference pixel are commonly connected for each column, each of which is connected to one of a plurality of first constant current sources;
Provided for each column of the photosensitive pixel and the reference pixel, a voltage across the first constant current source and the second constant current source is input, a difference between the voltage across the terminals is integrated for a certain time and output. A differential integration circuit;
A horizontal scanning circuit that selects one of the output signals of the plurality of differential integration circuits and guides it to an output terminal;
A sample and hold circuit that samples and holds the output signal of the differential integration circuit for the reference pixel selected by the vertical operation circuit and the horizontal scanning circuit;
A defect determination circuit that determines whether or not the selected reference pixel is a defective pixel based on an output signal held in the sample and hold circuit, and outputs the output signal when it is determined that the selected pixel is not a defective pixel When,
A thermal infrared solid-state imaging device comprising: a bias voltage generating circuit that generates the bias voltage according to a difference between the output signal output from the sample and hold circuit and a reference voltage and feeds back to the bias line.
前記欠陥判定回路は、前記サンプルホールド回路に保持されている出力信号と基準電圧とを比較する電圧比較回路を備え、前記電圧比較回路による比較結果をもとに当該参照画素が欠陥画素か否かを判定することを特徴とする請求項1に記載の熱型赤外線固体撮像素子。   The defect determination circuit includes a voltage comparison circuit that compares an output signal held in the sample and hold circuit with a reference voltage, and whether or not the reference pixel is a defective pixel based on a comparison result by the voltage comparison circuit. The thermal infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein 複数の前記欠陥判定回路と、複数の前記サンプルホールド回路と、前記複数の欠陥判定回路の出力信号を平均する平均回路とを備え、
前記サンプルホールド回路は、複数の前記参照画素について前記差動積分回路の出力信号をサンプルして保持し、
前記欠陥判定回路は、それぞれ、前記サンプルホールド回路が保持している複数の前記出力信号の1つについて、当該参照画素が欠陥画素か否かを判定し、欠陥画素でないと判断したときに、前記出力信号を出力し、前記平均回路で該出力信号を平均することを特徴とする請求項1または2に記載された熱型赤外線固体撮像素子。
A plurality of the defect determination circuits, a plurality of the sample hold circuits, and an average circuit that averages the output signals of the plurality of defect determination circuits,
The sample hold circuit samples and holds the output signal of the differential integration circuit for a plurality of the reference pixels,
The defect determination circuit determines whether or not the reference pixel is a defective pixel for one of the plurality of output signals held by the sample and hold circuit, and determines that the reference pixel is not a defective pixel. 3. The thermal infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein an output signal is output and the output signal is averaged by the averaging circuit.
断熱構造と赤外線吸収構造を有し、少なくとも1個以上の直列に接続されたダイオードを備える複数の感光画素と、複数の参照画素とからなる画素の2次元行列を設けた画素エリアと、
前記感光画素および参照画素の一方の極を行ごとに共通に接続した複数の駆動線と、
前記複数の駆動線の1つを選択し電源に接続する垂直走査回路と、
前記複数の駆動線とほぼ同一の電圧降下を生じるように前記複数の駆動線に並列に配置され、列ごとにそれぞれ設けられる第2の定電流源を共通に接続し、バイアス電圧がフィードバックされるバイアス線と、
前記感光画素および参照画素の他方の極を列ごとに共通に接続した複数の信号線であって、それぞれに複数の第1の定電流源の1つが接続された複数の信号線と、
前記感光画素および参照画素の列ごとに設けられ、前記第1の定電流源と前記第2の定電流源の両端電圧を入力し、前記両端電圧の差を一定時間積分して出力する複数の差動積分回路と、
前記複数の差動積分回路の出力信号の1つを選択して出力端子に導く水平走査回路と、
前記垂直操作回路および前記水平走査回路により選択された複数の前記参照画素について前記差動積分回路の出力信号をサンプルし保持するサンプルホールド回路と、
前記サンプルホールド回路に保持されている複数の前記出力信号を平均する平均回路と、
前記平均回路から出力される前記平均信号と基準電圧との差に応じた前記バイアス電圧を生成し、前記バイアス線にフィードバックするバイアス電圧生成回路と
からなる熱型赤外線固体撮像素子。
A pixel area having a two-dimensional matrix of pixels each including a plurality of photosensitive pixels having a heat insulating structure and an infrared absorption structure and including at least one or more diodes connected in series; and a plurality of reference pixels;
A plurality of drive lines that commonly connect one pole of the photosensitive pixel and the reference pixel for each row;
A vertical scanning circuit for selecting one of the plurality of drive lines and connecting to a power source;
A second constant current source arranged in parallel to each of the plurality of drive lines so as to generate a voltage drop substantially the same as that of the plurality of drive lines is provided in common for each column, and a bias voltage is fed back. A bias line;
A plurality of signal lines in which the other poles of the photosensitive pixel and the reference pixel are commonly connected for each column, each of which is connected to one of a plurality of first constant current sources;
Provided for each column of the photosensitive pixel and the reference pixel, a voltage across the first constant current source and the second constant current source is input, a difference between the voltage across the terminals is integrated for a certain time and output. A differential integration circuit;
A horizontal scanning circuit that selects one of the output signals of the plurality of differential integration circuits and guides it to an output terminal;
A sample and hold circuit that samples and holds the output signal of the differential integration circuit for the plurality of reference pixels selected by the vertical operation circuit and the horizontal scanning circuit;
An averaging circuit that averages a plurality of the output signals held in the sample and hold circuit;
A thermal infrared solid-state imaging device comprising: a bias voltage generation circuit that generates the bias voltage according to a difference between the average signal output from the average circuit and a reference voltage, and feeds back to the bias line.
前記参照画素は、断熱構造と赤外線吸収構造のいずれか一方又は両方を備えていないことの他は前記感光画素と実質的に同じ構造であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の熱型赤外線固体撮像素子。   5. The reference pixel according to claim 1, wherein the reference pixel has substantially the same structure as the photosensitive pixel except that either one or both of a heat insulating structure and an infrared absorption structure is not provided. The thermal infrared solid-state imaging device described. 前記参照画素は前記2次元行列の1列を構成することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の熱型赤外線固体撮像素子。   6. The thermal infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein the reference pixels constitute one column of the two-dimensional matrix.
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