JP2008268155A - Thermal type infrared solid-state imaging element - Google Patents
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Abstract
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。
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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Ciとの積(=時定数)は、積分時間Ti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。
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 /
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-
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-
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-
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
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
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
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
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
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
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。
FIG. 10 is a circuit diagram showing a thermal infrared solid-state imaging device according to
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
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。
FIG. 12 is a circuit diagram showing a thermal infrared solid-state imaging device according to
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
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
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
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.
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)
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.
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.
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