JP6176777B2 - Pixel circuit and imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、観察対象物のイメージングを行うための画素回路、及びそれを含む撮像素子に関する。 The present invention relates to a pixel circuit for imaging an observation object and an image sensor including the pixel circuit.
近年、分子イメージングの分野において誘導ラマン散乱(SRS:Stimulated Raman Scattering)顕微鏡が使用されている(下記非特許文献1参照。)。このSRS顕微鏡では、誘導ラマン散乱における励起光の強度変化量を検出してイメージングが行われる。詳細には、観測対象物を、異なる2つの波長(振動数ω1,ω2)の光で励起したときは、その振動数の差(ω1−ω2)が観測対象物内の分子の固有振動準位エネルギーに一致すると共鳴し、励起光を強度変調しておくとこの共鳴によって振動数ω1で出力される出力光の強度に強度変調に応じた変化が生じる。その強度変化は、励起信号に比較して10−5〜10−4倍程度と極めて微弱であり、SRS顕微鏡では大きな励起光成分の中のわずかな変化を検出する必要がある。従来のSRS顕微鏡では、イメージングデバイスとしてフォトダイオード等の1点の検出器が用いられる。
In recent years, a stimulated Raman scattering (SRS) microscope has been used in the field of molecular imaging (see Non-Patent
しかしながら、従来のSRS顕微鏡等のような微弱な信号の変化を検出する装置においては、感度良く微弱な信号の変化を検出することが困難である。例えば、誘導ラマン散乱の検出においては、強度の比較的高い励起光成分に対して非常に微弱な信号成分が加わるために、信号検出をさらに困難なものとする。 However, it is difficult to detect a weak signal change with high sensitivity in a device that detects a weak signal change such as a conventional SRS microscope. For example, in the detection of stimulated Raman scattering, since a very weak signal component is added to an excitation light component having a relatively high intensity, signal detection is further difficult.
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、比較的強い信号成分に重畳された微弱な強度変化を精度よく検出することが可能な画素回路及び撮像素子を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of such a problem, and provides a pixel circuit and an image sensor that can accurately detect a weak intensity change superimposed on a relatively strong signal component. Objective.
上記課題を解決するため、本発明の画素回路は、互いに相補的な第1及び第2のクロック信号を受けて、励起光源によって励起された観察対象物からの光信号を第1及び第2のクロック信号に応じて電荷に変換して振り分けて、それぞれ、第1及び第2の電流信号として検出する電荷振り分け部と、第1及び第2の電流信号を受ける第1及び第2のローパスフィルタと、第3のクロック信号を受けて、第1及び第2のローパスフィルタの電圧出力を、それぞれ、第3のクロック信号に同期したタイミングで第1及び第2の電圧信号として検出する第1及び第2のサンプリング回路と、第1及び第2のサンプリング回路の検出した第1及び第2の電圧信号の差分を積分して出力する積分回路と、励起光源の光強度を基に第1及び第2のクロック信号の位相を調整する第1の位相調整回路と、光強度を基に第3のクロック信号の位相を調整する第2の位相調整回路と、を備え、第2の位相調整回路は、強度変調が発生していない光信号を受けた際に第1の電圧信号と第2の電圧信号との差がキャンセルされるようなタイミングで、第1及び第2のサンプリング回路が第1及び第2の電圧信号を検出するように、第3のクロック信号の位相を調整する。 In order to solve the above problem, the pixel circuit of the present invention receives first and second clock signals complementary to each other, and outputs first and second optical signals from an observation object excited by an excitation light source. A charge distribution unit that converts and distributes charges according to a clock signal and detects them as first and second current signals; and first and second low-pass filters that receive first and second current signals, respectively. Receiving the third clock signal, the first and second voltage signals of the first and second low-pass filters are detected as the first and second voltage signals at timing synchronized with the third clock signal, respectively. Two sampling circuits, an integration circuit that integrates and outputs the difference between the first and second voltage signals detected by the first and second sampling circuits, and the first and second based on the light intensity of the excitation light source. Clock A first phase adjustment circuit for adjusting the phase of the signal and a second phase adjustment circuit for adjusting the phase of the third clock signal based on the light intensity. The first and second sampling circuits are connected to the first and second sampling circuits at a timing such that the difference between the first voltage signal and the second voltage signal is canceled when an optical signal that is not generated is received. The phase of the third clock signal is adjusted so as to detect the voltage signal .
このような画素回路によれば、外部からの光信号に所定の周波数で強度変調が加えられている場合に、その強度変調の周波数に同期した第1及び第2のクロック信号が与えられることにより、電荷振り分け部によって強度変調に同期して電荷が振り分けられて第1及び第2の電流信号が検出される。そして、第1及び第2のローパスフィルタにより、第1及び第2の電流信号が電圧として出力され、第1及び第2のサンプリング回路により、第1及び第2のローパスフィルタの電圧出力がそれぞれ第3のクロック信号に同期してサンプリングされ、第1及び第2のサンプリング回路の出力電圧の差分が積分して出力される。これにより、強度の比較的高い光信号に微弱なレベルの強度変調が加えられていた場合であっても、その強度変調のレベルを精度よく検出することができる。
According to such a pixel circuit, when intensity modulation is applied to an external optical signal at a predetermined frequency, the first and second clock signals synchronized with the intensity modulation frequency are provided. The charge distributing unit distributes the charges in synchronization with the intensity modulation, and detects the first and second current signals. The first and second low-pass filters output the first and second current signals as voltages, and the first and second sampling circuits output the voltage outputs of the first and second low-pass filters, respectively. 3 is sampled in synchronization with the
また、このような第1及び第2の位相調整回路を備えれば、光信号に加えられた強度変調に同期して電荷を振り分けて、振り分けられた電荷を基に第1及び第2の電圧信号の差分を積分して出力できる。その結果、光信号における強度変調のレベルを精度よく検出することができる。 In addition, if such first and second phase adjustment circuits are provided, the charges are distributed in synchronization with the intensity modulation applied to the optical signal, and the first and second voltages are based on the distributed charges. The signal difference can be integrated and output. As a result, the level of intensity modulation in the optical signal can be detected with high accuracy.
また、光信号として、第1のレベルと第2のレベルとを所定の繰り返し周波数で繰り返すように変調された光信号を受け、第1の位相調整回路は、繰り返し周波数に同期するように、第1及び第2のクロック信号の位相を調整することが好ましい。この場合、光信号に加えられた強度変調に同期して電荷を振り分けて、振り分けられた電荷を基に第1及び第2の電圧信号の差分を積分して出力できる。その結果、光信号における強度変調のレベルを精度よく検出することができる。 Further, as the optical signal, an optical signal modulated so as to repeat the first level and the second level at a predetermined repetition frequency is received, and the first phase adjustment circuit is configured to synchronize with the repetition frequency. It is preferable to adjust the phases of the first and second clock signals. In this case, charges can be distributed in synchronization with the intensity modulation applied to the optical signal, and the difference between the first and second voltage signals can be integrated and output based on the distributed charges. As a result, the level of intensity modulation in the optical signal can be detected with high accuracy.
また、電荷振り分け部は、光信号を電荷に変換する受光部を有し、電荷を2つの出力ノードに振り分ける半導体素子構造を有する、ことも好ましい。例えば、電荷振り分け部は、2つ以上の電極を含むフォトゲートを含む、ことでもよいし、電荷振り分け部は、受光部としての埋め込みフォトダイオードと、2つの転送ゲートとを含む、ことでもよいし、電荷振り分け部は、受光部としての埋め込みフォトダイオードと、埋め込みフォトダイオードの一部を形成する転送路を挟むように設けられた2以上のゲート電極とを含む、ことでもよい。この場合、電荷振り分け部を撮像素子等の半導体素子上に形成されるデバイスと組み合わせる際に、回路全体の小型化が容易になる。 It is also preferable that the charge distribution unit has a light receiving unit that converts an optical signal into a charge, and has a semiconductor element structure that distributes the charge to two output nodes. For example, the charge distribution unit may include a photogate including two or more electrodes, or the charge distribution unit may include an embedded photodiode as a light receiving unit and two transfer gates. The charge distribution unit may include an embedded photodiode as a light receiving unit and two or more gate electrodes provided so as to sandwich a transfer path forming a part of the embedded photodiode. In this case, when the charge distribution unit is combined with a device formed on a semiconductor element such as an imaging element, the entire circuit can be easily downsized.
さらに、第1及び第2のサンプリング回路は、それぞれ、第1及び第2のローパスフィルタの電圧出力をサンプリングするキャパシタを有する、ことも好ましい。このような構成を採れば、第1及び第2のサンプリング回路により、電荷振り分け部によって振り分けられた電荷を第3のクロック信号に同期したタイミングで検出することが可能になる。 Furthermore, it is also preferable that the first and second sampling circuits have capacitors that sample the voltage outputs of the first and second low-pass filters, respectively. By adopting such a configuration, it is possible to detect the charges distributed by the charge distributing unit at the timing synchronized with the third clock signal by the first and second sampling circuits.
またさらに、積分回路は、第1及び第2のサンプリング回路の出力に接続された全差動型増幅器と、全差動型増幅器の入出力間に接続された2つのキャパシタとを有する、ことも好ましい。かかる構成を採れば、第1及び第2のサンプリング回路で検出された2つの電圧信号の差分を2つのキャパシタに蓄積することにより検出することができる。 Furthermore, the integrating circuit has a fully differential amplifier connected to the outputs of the first and second sampling circuits, and two capacitors connected between the input and output of the fully differential amplifier. preferable. With this configuration, the difference between the two voltage signals detected by the first and second sampling circuits can be detected by accumulating them in the two capacitors.
本発明の撮像素子は、1次元或いは2次元に配列された上述した画素回路と、画素からの信号を読み出す読み出し回路と、を備えることを特徴としている。このような撮像素子によれば、画素ごとに設けられた複数の画素回路によって検出された光信号における強度変調のレベルを、読み出し回路によって読み出すことができる。その結果、観察対象物からの光信号の強度変調の1次元及び2次元のレベル分布を精度よく検出することができる。 An imaging device according to the present invention includes the above-described pixel circuit arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and a readout circuit that reads a signal from the pixel. According to such an imaging device, the intensity modulation level in the optical signal detected by the plurality of pixel circuits provided for each pixel can be read out by the readout circuit. As a result, the one-dimensional and two-dimensional level distribution of the intensity modulation of the optical signal from the observation object can be detected with high accuracy.
本発明によれば、比較的強い信号成分に重畳された微弱な強度変化を精度よく検出することができる。 According to the present invention, a weak intensity change superimposed on a relatively strong signal component can be accurately detected.
以下、図面を参照しつつ本発明に係る画素回路及びそれを含む撮像素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。 Hereinafter, preferred embodiments of a pixel circuit and an image sensor including the pixel circuit according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Each drawing is made for the purpose of explanation, and is drawn so as to particularly emphasize the target portion of the explanation. Therefore, the dimensional ratio of each member in the drawings does not necessarily match the actual one.
図1は、本発明の好適な一実施形態に係る画素回路1を含む測定システム100の概略構成を示すブロック図である。この測定システム100は、観察対象物Sを対象にしたSRSイメージング等の分子イメージングに用いられ、観察対象物Sに励起光として所定周波数(例えば、80MHz)で変調されたレーザ光を照射する励起光源101と、光源101によって照射されたレーザ光の光路上に設けられて、レーザ光を観察対象物に透過させるハーフミラー102と、レーザ光によって励起された観察対象物Sからの出力光を受けて、その出力光を受光して電気信号を生成する画素回路1と、ハーフミラー102によって分岐されたレーザ光を間引きして電気信号に変換して画素回路1に向けて出力するパルスピッカー103とを含んで構成されている。なお、同図には簡略化のために1つの画素回路のみが図示されているが、測定システム100には、後述するように複数の画素回路1を含む撮像素子が備えられている。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a
この測定システム100の一部を構成する画素回路1は、観察対象物Sからの出力光を受光する画素メイン回路3と、パルスピッカー103から電気信号を受けて、その電気信号の遅延時間を調整する遅延回路5,7と、遅延回路7の入力側に挿入された分周器6と、遅延回路5によって遅延時間が調整された電気信号を基に、画素メイン回路3に供給するクロック信号G1,G2(第1及び第2のクロック信号)の位相を調整する位相調整回路9と、遅延回路5,7によって遅延時間が調整された電気信号を基に、画素メイン回路3に供給するクロック信号φ1(第3のクロック信号)及びクロック信号φ1d,φ2の位相を調整する位相調整回路11とにより構成されている。これらの位相調整回路9,11は、観察対象物Sを励起する励起光の強度変化を基に、クロック信号G1,G2,φ1,φ1d,φ2の位相を調整するための回路である。また、遅延回路5は、光源101からのレーザ光が観察対象物Sを透過して出力光として画素メイン回路3で受光される時間と、そのレーザ光の強度がパルスピッカー103を経由して位相調整回路9で検出されて、さらにクロック信号G1,G2が画素メイン回路3に与えられるまでの時間との差を吸収するために設けられる。さらに、遅延回路7は、画素メイン回路3内でのクロック信号G1,G2による電荷の振り分けタイミングと、電荷の振り分けによって生じた電圧信号のサンプリングタイミングとの間での信号伝達時間を考慮した時間差を発生させるために設けられる。さらに、分周器6は、レーザ光の強度変調の周波数を1/n(nは2以上の整数)にして電気信号を出力する。これらの遅延回路5,7、及び位相調整回路9,11は、撮像素子内の複数の画素回路1毎に設けられることにより、画素ごとに異なる遅延時間の差を吸収可能なように構成される。
The
図2は、画素メイン回路3の概略構成を示すブロック図である。画素メイン回路3は、観察対象物Sからの出力光Oinを受けて電荷に変換して2つの電流信号を生成する振り分け受光回路(電荷振り分け部)13と、振り分け受光回路13から2つの電流信号をそれぞれ受けるローパスフィルタ15a,15bと、ローパスフィルタ15a,15bからの電圧出力をそれぞれサンプリングするサンプリング回路17a,17bと、サンプリング回路17a,17bによってサンプリングされた電圧信号の差分を積分して出力する積分回路19とを備える。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the pixel
振り分け受光回路13は、半導体素子構造を有し、光Oinを電荷に変換する受光部を有し、その電荷を受光部から2つの出力ノードに振り分け可能な構成を有する。図3(a)には、振り分け受光回路13の具体的構成を示す断面図を、図3(b),(c)には、この振り分け受光回路13の断面方向のポテンシャル分布を示している。図3(a)に示す振り分け受光回路13は、フォトゲートを利用した構造である。詳細には、振り分け受光回路13は、p型シリコン基板21の上にn型層である埋め込みチャネル層23が形成され、その埋め込みチャネル層23の両端にn型層である蓄積ノード25a,25bが設けられ、さらに、埋め込みチャネル層23上の蓄積ノード25a,25b側に絶縁層27を介してそれぞれゲート電極29a,29bが形成されている。これらの蓄積ノード25a,25bは、それぞれ、図2のローパスフィルタ15a,15bにそれぞれ接続され、蓄積ノード25a,25bのPN接合容量は、図2のローパスフィルタ15a,15bの一部を構成するが、十分な容量を得るため、ローパスフィルタ15a,15bのキャパシタは、MOS型のキャパシタ等を接続して構成することが好ましい。p型シリコン基板21と埋め込みチャネル層23とで出力光Oinを電荷に変換する受光部が構成される。
The distribution
このような振り分け受光回路13の構成により、ゲート電極29aに高電圧がゲート電極29bに低電圧が印加されると、図3(b)に示すように、受光部において電位勾配が形成され、受光部に入射した光子hνによって生じた光電子(電荷)が埋め込みチャネル層23内を蓄積ノード25a側に転送されて蓄積ノード25aに蓄積される。一方、ゲート電極29bに高電圧がゲート電極29aに低電圧が印加されると、図3(c)に示すように、受光部に入射した光子hνによって生じた光電子(電荷)が埋め込みチャネル層23内を蓄積ノード25b側に転送されて蓄積ノード25bに蓄積される。従って、2つのゲート電極29a,29bに高電圧、低電圧を交互に与えることにより、発生した電荷を左右の蓄積ノード25a,25bに交互に転送して振り分けることができる。すなわち、ゲート電極29a,29bに互いに相補的なクロック信号G1,G2を受けることにより、光Oinをクロック信号G1,G2に応じて振り分けて2つの電流信号(第1及び第2の電流信号)として検出して、その2つの電流信号を蓄積ノード25a,25bに蓄積して2つの電圧信号として出力することができる。なお、埋め込みチャネル層23上に形成されるゲート電極は2つには限定されず、3つ以上形成されていてもよい。
With such a configuration of the distribution
図4(a)には、振り分け受光回路13の他の構成例を示す断面図を、図4(b),(c)には、この振り分け受光回路13の断面方向のポテンシャル分布を示している。図4(a)に示す振り分け受光回路13は、埋め込みフォトダイオードを利用した構造である。詳細には、振り分け受光回路13は、p型シリコン基板31上にn型層である活性層33が形成され、その活性層33の表面に高濃度のp型層35が形成され、その活性層33の両端に高濃度のn型層である蓄積ノード37a,37bが設けられ、さらに、p型シリコン基板31の表面の活性層33と蓄積ノード37a,37bとの間に、それぞれ、絶縁層39を介してゲート電極(転送ゲート)41a,41bが形成されている。これらの蓄積ノード37a,37bは、それぞれ、図2のローパスフィルタ15a,15bにそれぞれ接続され、蓄積ノード37a,37bのPN接合容量は、図2のローパスフィルタ15a,15bの一部を構成するが、十分な容量を得るため、ローパスフィルタ15a,15bのキャパシタは、MOS型のキャパシタ等を接続して構成することが好ましい。p型シリコン基板31と活性層33とp型層35とで、出力光Oinを電荷に変換する受光部が構成される。
4A is a cross-sectional view showing another configuration example of the distributed
このような振り分け受光回路13の構成によっても、ゲート電極41aに高電圧がゲート電極41bに低電圧が印加されると、図4(b)に示すように、受光部に入射した光子hνによって生じた光電子が埋め込みフォトダイオードから蓄積ノード37a側に転送されて蓄積ノード37aに蓄積される。一方、ゲート電極41bに高電圧がゲート電極41aに低電圧が印加されると、図4(c)に示すように、受光部に入射した光子hνによって生じた光電子が埋め込みフォトダイオードから蓄積ノード37b側に転送されて蓄積ノード37bに蓄積される。従って、ゲート電極41a,41bに互いに相補的なクロック信号G1,G2を受けることにより、光Oinをクロック信号G1,G2に応じて振り分けて2つの電流信号(第1及び第2の電流信号)として検出して、その2つの電流信号を蓄積ノード37a,37bに蓄積して2つの電圧信号として出力することができる。
Even with such a configuration of the sorting
図5(a)には、振り分け受光回路13の他の構成例を示す平面図を、図5(b),(c)には、この振り分け受光回路13のV−V線に沿った断面方向のポテンシャル分布を示している。図5(a)に示す振り分け受光回路13は、埋め込みフォトダイオードを利用した構造である。詳細には、シリコン基板51上に形成された埋め込みフォトダイオード53と、その埋め込みフォトダイオード53の両端に形成された蓄積ノード55a,55bとが設けられ、さらに、そのシリコン基板51上において、蓄積ノード55a側には埋め込みフォトダイオード53の一部の転送路を挟み込むように一組のゲート電極57aが設けられ、蓄積ノード55b側には埋め込みフォトダイオード53の一部の転送路を挟み込むように一組のゲート電極57bが設けられている。これらの蓄積ノード55a,55bは、それぞれ、図2のローパスフィルタ15a,15bにそれぞれ接続され、蓄積ノード55a,55bのPN接合容量は、図2のローパスフィルタ15a,15bの一部を構成するが、十分な容量を得るため、ローパスフィルタ15a,15bのキャパシタは、MOS型のキャパシタ等を接続して構成することが好ましい。
5A is a plan view showing another configuration example of the distribution
このような振り分け受光回路13の構成によっても、一組のゲート電極57aに高電圧が一組のゲート電極57bに低電圧が印加されると、図5(b)に示すように、受光部に入射した光子hνによって生じた光電子が埋め込みフォトダイオード53から蓄積ノード55a側に転送されて蓄積ノード55aに蓄積される。一方、一組のゲート電極57bに高電圧が一組のゲート電極57aに低電圧が印加されると、図5(c)に示すように、受光部に入射した光子hνによって生じた光電子が埋め込みフォトダイオード53から蓄積ノード55b側に転送されて蓄積ノード55bに蓄積される。従って、ゲート電極57a,57bに互いに相補的なクロック信号G1,G2を受けることにより、光Oinをクロック信号G1,G2に応じて振り分けて2つの電流信号(第1及び第2の電流信号)として検出して、その2つの電流信号を蓄積ノード55a,55bに蓄積して2つの電圧信号として出力することができる。
Even in such a configuration of the distribution
次に、図6を参照して、画素メイン回路3の回路構成について説明する。同図に示す画素メイン回路3の全ての回路素子は同一の半導体基板上に集積されている。また、同図においては、振り分け受光回路13を、2つの電流源を13a,13bを含む等価回路で図示している。
Next, the circuit configuration of the pixel
画素メイン回路3のローパスフィルタ15a,15bは、それぞれ、キャパシタ61及び抵抗素子63の直列回路であり、振り分け受光回路13の生成する電流信号Iin,Iipの低域成分を通過させて電圧信号として出力する。サンプリング回路17a,17bは、それぞれ、ローパスフィルタ15a,15bの出力にスイッチSW1a,SW1bを介して一端が接続され、他端がスイッチSW2a,SW2bを介してバイアスされたキャパシタ65a,65bを含んでいる。さらに、これらのキャパシタ65aのローパスフィルタ15a,15b側の端子はスイッチSW3を介して互いに接続されている。これらのスイッチSW1a,SW1bには、位相調整回路11によってクロック信号φ1dが与えられ、スイッチSW2a,SW2bには、位相調整回路11によってクロック信号φ1が与えられ、スイッチSW3には、位相調整回路11によってクロック信号φ2が与えられる。このような構成のサンプリング回路17a,17bは、ローパスフィルタ15a,15bの電圧出力を、クロック信号φ1に同期したタイミングで2つの電圧信号V1,V2(第1及び第2の電圧信号)にサンプリングして検出する。
The low-
画素メイン回路3の積分回路19は、全差動型オペアンプ(増幅器)67を含む。さらに、積分回路19は、この全差動型オペアンプ67の一方の出力と反転入力との間に互いに並列に接続されたキャパシタ69a及びスイッチSW5aと、全差動型オペアンプ67の他方の出力と非反転入力との間に互いに並列に接続されたキャパシタ69b及びスイッチSW5bと含んでいる。そして、全差動型オペアンプ67の反転入力及び非反転入力は、それぞれ、スイッチSW4a,SW4bを介してサンプリング回路17a,17bの出力が接続され、全差動型オペアンプ67の出力が積分回路19の差動出力とされる。これらのスイッチSW4a,SW4bには、位相調整回路11によってクロック信号φ2が与えられ、スイッチSW5a,SW5bには、位相調整回路11から積分回路19の出力をリセットするためのリセット信号RTが与えられる。このような構成の積分回路19によって、2つの電圧信号V1,V2の差分が積分されて差動出力として出力される。
The
図7を参照して、画素メイン回路3の動作を説明する。図7には、画素メイン回路3のサンプリング動作と積分動作時の回路素子の接続状態を示している。
The operation of the pixel
まず、リセット信号RTを“1”(オン)にして積分回路19のキャパシタ69a,69bの蓄積電荷が初期化された後に、クロック信号φ1d,クロック信号φ1が“1”(オン)にされて、図7(a)に示すような接続状態に設定される。そうすると、ローパスフィルタ15a,15bの電圧出力が、それぞれ、キャパシタ65a,65bによってアンプリングされる。その後、クロック信号φ1d,クロック信号φ1が“0”(オフ)にされて、クロック信号φ2が“1”(オン)にされることにより、図7(b)に示すような接続状態に設定される。そうすると、積分回路19の作用によって、キャパシタ65a,65bによってサンプリングされた2つの電圧信号V1,V2の差分に対応する電荷が、キャパシタ69a,69bに転送され蓄積される。この際には、ボトムプレートサンプリングを行うために、クロック信号φ1dよりも先にクロック信号φ1をオフするように設定され、クロック信号φ1によりローパスフィルタ15a,15bの出力のサンプリングタイミングが決定される。これにより、積分回路19の差動出力の電圧値は、電圧信号V1,V2の差分だけ上昇することになり、図7(a)と図7(b)との動作を交互に繰り返すことにより、電圧信号V1,V2の差分が複数回積分された増幅電圧を得ることができる。
First, after the reset signal RT is set to “1” (on) and the accumulated charges in the
図8は、上述した画素回路1を含む本実施形態の撮像素子200の構成を示すブロック図である。同図に示す撮像素子200は、水平方向に64個、垂直方向に8個で2次元に配列された画素回路1と、画素回路1からの水平方向の読み出し位置を制御する水平走査回路(読み出し回路)201と、水平走査回路201によって選択された画素回路1からの出力信号を読み出して多重化する多重化回路(読み出し回路)202と、多重化回路202の出力を増幅する出力バッファ203とにより構成される。なお、撮像素子200に含まれる画素回路1の数は任意に設定でき、1次元的に配列された画素回路1によって構成されてもよい。
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of the
次に、上述した測定システム100によるSRSイメージングの原理について説明する。図9は、測定システム100で扱われる励起光及び観察対象の出力光の時間変化を示す図である。また、図10は、測定システム100で扱われる各種信号の時間変化を示す図であり、(a)は、全体の光電流Ipの時間変化、(b)は、クロック信号G1,G2の時間変化、(c)及び(d)は、振り分け後の光電流Iip,Iinの時間変化、(e)及び(f)は、サンプリングされた電圧信号V1,V2の時間変化、(g)は、クロック信号φ1,φ1d,φ2の時間変化をそれぞれ示している。
Next, the principle of SRS imaging by the
光源101から観察対象物Sに対して、図9(a)に示すような振動数ω1を有する励起光と、図9(b)に示すような振動数ω2を有する強度変調されたストークス光とを合波して照射すると、画素回路1においては、図9(c)に示すような振動数ω1を有する強度変調された出力光が観察される。具体的には、この出力光は、第1のレベルと第2のレベルとをストークス光のオン/オフに同期した所定の繰り返し周波数で繰り返すような波形となる。出力光においては、強度変調の変化は励起信号に比べて10−5〜10−4程度倍程度と微弱なレベルとなり、SRSを検出するためには大きな励起光成分の中の僅かな変化を検出する必要がある。
The excitation light having the frequency ω 1 as shown in FIG. 9A and the intensity-modulated Stokes having the frequency ω 2 as shown in FIG. 9B from the
画素回路1での出力光の受光により発生するトータルの光電流をIpとする。これには、背景光成分である大きなオフセット電流Ibに、変調分に相当する微小な信号電流Isが加わっている(図10(a))。この信号電流Isを取り出すために、2相のクロック信号G1,G2として、図10(b)に示すように、互いに相補的な光電流Ipの強度変調に同期したパルス信号が生成される。このときに、画素回路1で振り分けられる2つの電流Iip,Iin(図10(c),(d))の平均電流Iip0,Iin0は、それぞれ、下記式のように計算される。
Iip0=Ib/2+Is/2
Iin0=Ib/2
従って、画素回路1によって、両者の差;
Iip0−Iin0=Is/2
が求められれば、SRSとして必要な信号電流が得られることになる。
A total photocurrent generated by receiving the output light in the
I ip0 = I b / 2 + I s / 2
I in0 = I b / 2
Therefore, the difference between the two by the
I ip0 −I in0 = I s / 2
Is required, the signal current required for the SRS can be obtained.
画素回路1では、振り分け受光回路13によって振り分けられた2つの電流信号が、ローパスフィルタ15a,15bに通されることにより、三角波状の電圧信号V1,V2に整形される(図10(e)、(f))。ここでは、ローパスフィルタ15a,15bの抵抗素子63の抵抗値をR、キャパシタ61の容量をC1としたときに、時定数RC1は出力光の強度変調の周期Tに比べて十分大きく設定されている。このとき、三角波の振幅ΔVppは、下記式;
ΔVpp=IbT/4C1
と計算される。一方、三角波の信号成分は、
Vs=IsR/2
となり、両者の比は;
ΔVpp/Vs=(Ib/Is)×(T/2)/(C1R)
と計算される。この計算結果より、SRSイメージングを実現する場合には、非常に大きな背景光中にある微弱な信号成分を検出し増幅する必要があることが理解できる。つまり、IbがIsに比べて非常に大きい。その結果、微弱な信号電圧Vsに対して背景光による大きな三角波状の妨害信号ΔVppが混入し、信号成分の増幅が困難である。上記式から、時定数RC1を強度変調の周期Tに比べて大きくすることでこの比を小さくすることができることが明らかではあるが、IsがIbの10−5〜10−4倍程度であるのに対して、回路の時定数をT/2の104〜105倍とするのは、単位画素回路の中に含められる抵抗とキャパシタの値の範囲を考えると困難を伴う。
In the
ΔV pp = I b T / 4C 1
Is calculated. On the other hand, the signal component of the triangular wave is
V s = I s R / 2
And the ratio between the two is:
ΔV pp / V s = (I b / I s ) × (T / 2) / (C 1 R)
Is calculated. From this calculation result, it can be understood that in order to realize SRS imaging, it is necessary to detect and amplify a weak signal component in a very large background light. In other words, I b is very large compared to the I s. As a result, a large triangular wave interference signal ΔV pp due to background light is mixed into the weak signal voltage V s , and it is difficult to amplify the signal component. From the above equation, there is obviously to be able to reduce this ratio by greater than the period T of the constant RC 1 intensity-modulated time but, 10-5 to 10-4 times the I s is I b On the other hand, it is difficult to set the time constant of the circuit to 10 4 to 10 5 times T / 2 in consideration of the range of resistance and capacitor values included in the unit pixel circuit.
そこで、画素回路1のサンプリング回路17a,17bにおいて、位相調整回路11によってタイミング調整されたクロック信号φ1,φ1d(図10(g))を受けて、電圧信号V1,V2をサンプリングするタイミングが調整されるとともに、積分回路19によりそれらの電圧信号V1,V2の差分が積分されて出力される。このクロック信号φ1,φ1dのタイミングは、SRS信号成分が含まれていない(強度変調が発生していない)出力光を受けた際に、電圧信号V1,V2の差がキャンセルされて0となるようなタイミングに同期するように調整される(図10(e))。これにより、SRS信号成分を含む出力光を受けた際に、微小な信号電流Isに対応する電圧を増幅して取り出すことができる。
Therefore, the
図11には、画素回路1においてSRS信号を含まない出力光を受けた際の積分時間に対する差動出力間の電圧差のシミュレーション結果を示している。ここでは、クロック信号φ1,φ1dのタイミングΔtを様々変化させた場合を示している。この結果から、クロック信号φ1,φ1dのタイミングΔtを調整してΔt=-400psのとき、背景光成分が積分時間に対してほとんど変化していないことがわかる。一方、タイミングΔtが20psずれると、約35msの積分時間で背景光成分が約1Vにまで大きくなっている。なお、このシミュレーションにおいては、背景光成分の振幅は100μA、SRS信号はゼロとしている。
FIG. 11 shows a simulation result of the voltage difference between the differential outputs with respect to the integration time when the
図12には、画素回路1においてSRS信号を含む出力光を受けた際の積分時間に対する差動出力間の電圧差のシミュレーション結果を示している。このように、背景光成分が現れないように調整されたクロック信号φ1,φ1dにより、積分時間が長くなるにしたがって信号成分が線形に増加して変化していることがわかる。なお、このシミュレーションにおいては、背景光成分の振幅は100μAに対してSRS信号である信号電流Isを0〜100nAに変化させている。
FIG. 12 shows a simulation result of the voltage difference between the differential outputs with respect to the integration time when the
以上説明した画素回路1によれば、外部からの光信号Oinに所定の周波数で強度変調が加えられている場合に、その強度変調の周波数に同期したクロック信号G1,G2が与えられることにより、振り分け受光回路13によって強度変調に同期して電荷が振り分けられて電流信号が検出される。そして、ローパスフィルタ15a,15bにより、それらの電流信号が電圧として出力され、サンプリング回路17a,17bにより、ローパスフィルタ15a,15bの電圧出力がそれぞれクロック信号φ1,φ1dに同期してサンプリングされ、サンプリング回路17a,17bの出力電圧の差分が積分して出力される。これにより、強度の比較的高い光信号に微弱なレベルの強度変調が加えられていた場合であっても、その強度変調のレベルを精度よく検出することができる。
According to the
また、遅延回路5,7及び位相調整回路9,11を備えることにより、光信号に加えられた強度変調に同期して電荷を振り分けて、振り分けられた電荷を基にSRS信号等の信号成分のみを取り出して電圧信号の差分を積分して出力できる。その結果、光信号における強度変調のレベルを精度よく検出することができる。
In addition, by providing the
また、振り分け受光回路13は半導体素子構造を有するので、振り分け受光回路13を撮像素子等の半導体素子上に形成されるデバイスと組み合わせる際に、回路全体の小型化が容易になる。
Further, since the distributed
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、図13に示す本発明の変形例に係る測定システム100Aに示すように、画素回路1Aの構成を変更してもよい。すなわち、図1に示した測定システム100では、1画素ごとに遅延回路5,7、分周器6、位相調整回路9,11を備えていたが、その一部或いは全体が複数の画素に対して共通に設けられてもよい。詳細には、図13に示すように、遅延回路5,7、分周器6、及び位相調整回路9を、全体の複数の画素回路1A、画素回路1Aの行単位、或いは列単位に1組ずつ設けて、位相調整回路11のみを各画素回路1A毎に画素回路1Aに含めて構成してもよい。このように構成すれば、複数の画素回路毎の大まかな遅延時間の調整を遅延回路5,7で行い、位相の微調整を位相調整回路11で行うことができ、電圧信号V1,V2のサンプリングタイミングの最適化が可能になる。それとともに、画素回路全体の回路構成が簡素化される。
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above. For example, the configuration of the
1…画素回路、3…画素メイン回路、5,7…遅延回路、9,11…位相調整回路、13…振り分け受光回路(電荷振り分け部)、15a,15b…ローパスフィルタ、17a,17b…サンプリング回路、19…積分回路、21,31…p型シリコン基板(受光部)、23…埋め込みチャネル層(受光部)、25a,25b,37a,37b,55a,55b…蓄積ノード(出力ノード)、29a,29b…ゲート電極(フォトゲート)、33…活性層(受光部)、35…p型層(受光部)、41a,41b…ゲート電極(転送ゲート)、53…埋め込みフォトダイオード、57a,57b…ゲート電極、61…キャパシタ、65a,65b…キャパシタ、67…全差動型オペアンプ(全差動型増幅器)、69a,69b…キャパシタ、200…撮像素子、201…水平走査回路(読み出し回路)、202…多重化回路(読み出し回路)、S…観察対象物。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記第1及び第2の電流信号を受ける第1及び第2のローパスフィルタと、
第3のクロック信号を受けて、前記第1及び第2のローパスフィルタの電圧出力を、それぞれ、前記第3のクロック信号に同期したタイミングで第1及び第2の電圧信号として検出する第1及び第2のサンプリング回路と、
前記第1及び第2のサンプリング回路の検出した前記第1及び第2の電圧信号の差分を積分して出力する積分回路と、
前記励起光源の光強度を基に前記第1及び第2のクロック信号の位相を調整する第1の位相調整回路と、
前記光強度を基に前記第3のクロック信号の位相を調整する第2の位相調整回路と、
を備え、
前記第2の位相調整回路は、強度変調が発生していない光信号を受けた際に前記第1の電圧信号と前記第2の電圧信号との差がキャンセルされるようなタイミングで、前記第1及び第2のサンプリング回路が前記第1及び第2の電圧信号を検出するように、前記第3のクロック信号の位相を調整する、
ことを特徴とする画素回路。 Receiving the first and second clock signals complementary to each other, the optical signal from the observation object excited by the excitation light source is converted into electric charge according to the first and second clock signals, and distributed. A charge distribution unit that detects the first and second current signals,
First and second low-pass filters for receiving the first and second current signals;
Receiving a third clock signal, and detecting the voltage outputs of the first and second low-pass filters as first and second voltage signals at timings synchronized with the third clock signal, respectively; A second sampling circuit;
An integrating circuit that integrates and outputs the difference between the first and second voltage signals detected by the first and second sampling circuits;
A first phase adjustment circuit for adjusting the phases of the first and second clock signals based on the light intensity of the excitation light source;
A second phase adjustment circuit for adjusting the phase of the third clock signal based on the light intensity;
With
The second phase adjustment circuit has the timing at which the difference between the first voltage signal and the second voltage signal is canceled when an optical signal in which intensity modulation has not occurred is received. Adjusting the phase of the third clock signal so that the first and second sampling circuits detect the first and second voltage signals;
A pixel circuit characterized by that.
前記第1の位相調整回路は、前記繰り返し周波数に同期するように、前記第1及び第2のクロック信号の位相を調整することを特徴とする請求項1記載の画素回路。 As the optical signal, an optical signal modulated to repeat the first level and the second level at a predetermined repetition frequency is received,
The first phase adjustment circuit, the repeated in sync with frequency, the pixel circuit according to claim 1, wherein adjusting the phase of said first and second clock signals.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の画素回路。 The charge distribution unit has a light receiving unit that converts the optical signal into a charge, and has a semiconductor element structure that distributes the charge to two output nodes.
The pixel circuit according to claim 1 or 2, characterized in that.
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の画素回路。 Each of the first and second sampling circuits includes a capacitor that samples the voltage output of the first and second low-pass filters.
The pixel circuit according to any one of claims 1 to 3, characterized in that.
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の画素回路。 The integrating circuit includes a fully differential amplifier connected to the outputs of the first and second sampling circuits, and two capacitors connected between the input and output of the fully differential amplifier.
The pixel circuit according to any one of claims 1 to 4, characterized in that.
ことを特徴とする請求項3記載の画素回路。 The charge distribution unit includes a photogate including two or more electrodes.
The pixel circuit according to claim 3 .
前記受光部としての埋め込みフォトダイオードと、
2つの転送ゲートとを含む、
ことを特徴とする請求項3記載の画素回路。 The charge distribution unit includes:
An embedded photodiode as the light receiving portion;
Including two transfer gates,
The pixel circuit according to claim 3 .
前記受光部としての埋め込みフォトダイオードと、
前記埋め込みフォトダイオードの一部を形成する転送路を挟むように設けられた2以上のゲート電極とを含む、
ことを特徴とする請求項3記載の画素回路。 The charge distribution unit includes:
An embedded photodiode as the light receiving portion;
Two or more gate electrodes provided so as to sandwich a transfer path forming a part of the embedded photodiode,
The pixel circuit according to claim 3 .
前記画素からの信号を読み出す読み出し回路と、
を備えることを特徴とする撮像素子。 The pixel circuit according to any one of claims 1 to 9 , which is arranged in one dimension or two dimensions,
A readout circuit for reading out signals from the pixels;
An image pickup device comprising:
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