JP6701881B2 - Imaging device, infrared detector, and dark current correction method for infrared detector - Google Patents
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Description
本願開示は、撮像装置、赤外線検出装置、及び赤外線検出器の暗電流の補正方法に関する。 The present disclosure relates to an imaging device, an infrared detection device, and a dark current correction method for an infrared detector.
量子型赤外線検出器では、受光素子が入射赤外線強度に応じた量の電流を生成し、その電流を読み出し回路により電荷としてキャパシタに蓄積し、蓄積された電荷に応じた電圧をアンプにより増幅して出力する。検出器の動作温度の上限が信号とノイズの比(S/N比)により制限されるため、量子型赤外線検出器は一般的に動作時における冷却を必要とする。代表的なノイズには、入射赤外線がゼロの状態で受光素子に流れる暗電流、電流の量子的なゆらぎであるショットノイズ、電荷蓄積キャパシタのリセットノイズ、読み出し回路を構成するCMOSの固定パターンノイズやランダムテレグラフシグナルノイズ等がある。検出器を低温に冷却することで、特に暗電流やリセットノイズを大幅に低減することが可能である。 In the quantum infrared detector, the light receiving element generates an amount of current according to the intensity of incident infrared light, the read circuit stores the current in the capacitor as electric charge, and the amplifier amplifies the voltage corresponding to the accumulated electric charge. Output. Quantum infrared detectors generally require cooling during operation because the upper limit of the detector operating temperature is limited by the signal to noise ratio (S/N ratio). Typical noises include dark current flowing in the light receiving element when incident infrared light is zero, shot noise which is a quantum fluctuation of current, reset noise of charge storage capacitor, fixed pattern noise of CMOS which constitutes a readout circuit, and There is random telegraph signal noise, etc. Cooling the detector to a low temperature can significantly reduce dark current and reset noise in particular.
低温に冷却するためには、大型且つ高消費電力の冷凍器が必要になると共に、価格も高価になるためデメリットが大きい。小型、低消費電力、且つ低価格の量子型赤外線検出器を含む赤外線センサシステムを開発するためには、ノイズの発生を低温化により低減するのではなく、発生したノイズを信号処理により除去することが好ましい。そのようなノイズ除去の方法の1つとして、高温で急激に増加するリセットノイズを除去するために有効な相関二重サンプリング(Correlated Double Sampling:CDS)が知られている。CDSでは、まず電荷蓄積キャパシタをリセットしてから、リセットノイズを含む電荷蓄積キャパシタの電圧に応じた読み出し電圧を、第1のキャパシタに保持する。その後、受光素子の電流により電荷蓄積キャパシタを放電させてから、リセットノイズ及び放電による電圧変化分を含む電荷蓄積キャパシタの電圧に応じた読み出し電圧を、第2のキャパシタに保持する。第1のキャパシタの電圧と第2のキャパシタの電圧との差分をとることにより、両電圧に含まれるリセットノイズを相殺し、受光素子の電流を検出することができる。またCDSにより差分をとることにより、各読み出し回路に固有の固定パターンノイズについても低減することが可能である。 In order to cool to a low temperature, a large-scale and high-power-consumption refrigerator is required, and the price becomes expensive, which is a great disadvantage. In order to develop an infrared sensor system that includes a compact, low power consumption, and low-priced quantum infrared detector, the noise generated should not be reduced by lowering the temperature, but the generated noise should be removed by signal processing. Is preferred. As one of such noise removal methods, there is known Correlated Double Sampling (CDS) effective for removing reset noise that rapidly increases at high temperatures. In the CDS, first, the charge storage capacitor is reset, and then the read voltage corresponding to the voltage of the charge storage capacitor including reset noise is held in the first capacitor. After that, the charge storage capacitor is discharged by the current of the light receiving element, and then the read voltage corresponding to the voltage of the charge storage capacitor including the reset noise and the voltage change due to the discharge is held in the second capacitor. By taking the difference between the voltage of the first capacitor and the voltage of the second capacitor, the reset noise included in both voltages can be canceled and the current of the light receiving element can be detected. Further, by taking the difference by the CDS, it is possible to reduce the fixed pattern noise unique to each read circuit.
温度が上昇すると、受光素子の暗電流も急激に増加する。暗電流を補正するためには、各画素について暗電流のみを測定したデータを収集することが必要である。赤外線入射の無い状態で暗電流のみが受光素子に流れる状態を作り出すためには、十分に冷却した機械的シャッタにより受光素子の画素アレイを外部から遮断する。 When the temperature rises, the dark current of the light receiving element also sharply increases. In order to correct the dark current, it is necessary to collect data in which only the dark current is measured for each pixel. In order to create a state in which only a dark current flows through the light receiving element without the incidence of infrared rays, the pixel array of the light receiving element is blocked from the outside by a mechanical shutter that is sufficiently cooled.
従来、CDSにより暗電流を補正することは容易でなく、CDSの後において暗電流を補正するのが一般的である。これは、CDSの前段階の回路中において、各画素に対する暗電流を単純な機構で不揮発的に記憶することが容易ではないので、CDSにより暗電流を補正するためには、シャッタによる赤外線遮断動作を各ビデオフレーム毎に実行することが必要になるためである。しかしながら、各フレーム毎に毎回暗電流を取得するとなると、光電流の積分時間と同じだけの時間が暗電流の測定に必要となり、動作速度の低下を招いてしまう。またそのような高速な機械的シャッタ開閉動作を長期間に亘って問題なく維持することは容易ではなく、シャッタ不良に起因した赤外線検出器の短寿命化につながってしまう。 Conventionally, it is not easy to correct the dark current by the CDS, and it is common to correct the dark current after the CDS. This is because it is not easy to store the dark current for each pixel in a non-volatile manner by a simple mechanism in the circuit at the previous stage of the CDS. Therefore, in order to correct the dark current by the CDS, the infrared ray blocking operation by the shutter is performed. Is required to be executed for each video frame. However, if the dark current is acquired every frame, the dark current measurement requires the same amount of time as the photocurrent integration time, resulting in a decrease in operating speed. Further, it is not easy to maintain such a high-speed mechanical shutter opening/closing operation without problems for a long period of time, which leads to shortening the life of the infrared detector due to shutter failure.
赤外線検出器の画素アレイの出力信号に対しては、受光素子毎の感度や非線形性のばらつきを補正する処理が必要であり、CDSの後において暗電流を補正する構成とした場合、暗電流の補正に加え更に、これらの補正処理が行われることになる。高解像度の画素アレイであり画素数が大きい場合、暗電流の補正まで実行する構成にすると、一連の補正処理において必要な補正データと補正計算量が増加し、結果として動作速度の低下やシステム面積の増加につながってしまう。 For the output signal of the pixel array of the infrared detector, it is necessary to perform processing for correcting variations in sensitivity and non-linearity of each light receiving element. When the dark current is corrected after CDS, the dark current In addition to the correction, these correction processes will be performed. If the pixel array has a high resolution and the number of pixels is large, and the configuration is such that the dark current correction is executed, the correction data and the amount of correction calculation required in a series of correction processes increase, resulting in a decrease in operating speed and system area. Will increase.
以上を鑑みると、画素毎に暗電流を不揮発的に記憶してCDSにより暗電流補正を行う撮像装置が望まれる。 In view of the above, there is a demand for an imaging device that stores a dark current in a nonvolatile manner for each pixel and corrects the dark current by the CDS.
撮像装置は、各画素毎に設けられた赤外線を検出する受光素子を含む画素アレイと、各画素毎に設けられたバイポーラ型の抵抗変化型メモリ素子を含み、前記受光素子に流れる暗電流の電流量を前記抵抗変化型メモリ素子に記憶可能であり、前記抵抗変化型メモリに流れる読み出し電流量を反映した第1の信号及び前記受光素子に流れる撮像時の電流量を反映した第2の信号を出力する読み出し回路と、前記第1の信号と前記第2の信号との間の差分を求める差分回路とを含む。 The imaging device includes a pixel array including a light receiving element provided for each pixel for detecting infrared rays, and a bipolar resistance change type memory element provided for each pixel, and a dark current flowing through the light receiving element. An amount of which can be stored in the resistance change type memory element, and a first signal reflecting the amount of read current flowing in the resistance change type memory and a second signal reflecting the amount of current flowing in the light receiving element at the time of imaging. A read circuit for outputting and a difference circuit for obtaining a difference between the first signal and the second signal are included.
少なくとも1つの実施例によれば、撮像装置は、画素毎に暗電流を不揮発的に記憶してCDSにより暗電流補正を行うことができる。 According to at least one embodiment, the imaging device can non-volatilely store the dark current for each pixel and perform the dark current correction by the CDS.
以下に、本発明の実施例を添付の図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、赤外線検出装置の構成の一例を示す図である。図1に示す赤外線検出装置10は、光学系11、赤外線検出器12、補正信号処理部13、表示記録部14、冷却器15、制御部16、及び制御部17を含む。赤外線検出器12は、シャッタ21、画素アレイ22、読み出し回路23、及び温度センサ24を含む。
FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of an infrared detection device. The
光学系11は、入射光を撮像面上に結象する。画素アレイ22は撮像面上に設けられ、入射光に基づく赤外線画像を撮像する。シャッタ21は開閉可能な例えば機械的シャッタであり、開放時に入射光を通過させ、遮断時に入射光を遮断する。画素アレイ22は、縦横にマトリクス上に配置された赤外線を検出する複数の受光素子を含む。受光素子は、入射光(入射赤外光)の強度に応じて電気抵抗値が変化する特性を有する。入射光が照射されている受光素子にバイアス電圧を印加することにより、入射光の強度に応じた量の電流が受光素子に流れる。複数の受光素子が複数の画素に一対一に対応して設けられており、各受光素子による撮像データが各画素の画素データとなる。
The
読み出し回路23は、複数の受光素子に一対一に対応して設けられる複数の画素読み出し回路と、例えば画素アレイ22の各列に対して設けられるCDS回路とを含む(図5参照)。画素読み出し回路は、受光素子を流れる電流を電圧に変換し、当該電圧を増幅し、増幅後の電圧をCDS回路に出力する。CDS回路は、読み出し回路からの出力電圧に対して相関二重サンプリングを実行する。
The
読み出し回路23は更に、各画素毎に設けられたバイポーラ型の抵抗変化型メモリ素子を含む。即ち、各画素読み出し回路が1つの抵抗変化型メモリ素子を含む。抵抗変化型メモリ素子は、抵抗変化材料、上部金属電極、及び下部金属電極を含み、抵抗変化材料が上部金属電極と下部金属電極との間に挟まれるように配置されている。バイポーラ型の抵抗変化型メモリ素子では、TaOx、HfOx、TiOx、WOx、CoOx、MoOx等の遷移金属酸化物や、これら遷移金属酸化物を積層したもの、或いはこれら遷移金属酸化物の酸素含有量を膜中で変えたもの等を抵抗変化材料として用いる。
The
図2は、バイポーラ型の抵抗変化型メモリ素子が示す電圧対電流特性の一例を示す図である。説明のため、線形抵抗を仮定している。図2において、横軸は抵抗変化型メモリ素子に印加される電圧を示し、縦軸は抵抗変化型メモリ素子に流れる電流を示す。抵抗変化型メモリ素子は高抵抗状態SHと低抵抗状態SLとを有する。高抵抗状態SHにある抵抗変化型メモリ素子は、比較的高い一定の抵抗値を示す。低抵抗状態SLにある抵抗変化型メモリ素子は、比較的低い一定の抵抗値を示す。 FIG. 2 is a diagram showing an example of voltage-current characteristics exhibited by a bipolar resistance change memory element. For explanation, a linear resistance is assumed. In FIG. 2, the horizontal axis represents the voltage applied to the resistance variable memory element, and the vertical axis represents the current flowing in the resistance variable memory element. The resistance change type memory element has a high resistance state SH and a low resistance state SL. The resistance change type memory element in the high resistance state SH exhibits a relatively high constant resistance value. The resistance change type memory element in the low resistance state SL exhibits a relatively low constant resistance value.
高抵抗状態SHにある抵抗変化型メモリ素子に対して、第1の方向に第1の所定の電圧値V1以上の電圧を印加すると、抵抗変化型メモリ素子は、状態遷移T1として示されるように低抵抗状態SLに遷移する。このとき、状態遷移T1を起こさせたときに抵抗変化型メモリ素子に流されている電流量I1が、遷移後の低抵抗状態SLの抵抗値を決定する。具体的には、抵抗変化型メモリ素子は、遷移時の印加電圧V1と電流量I1とから定まる抵抗値(=V1/I1)を有する低抵抗状態SLに設定される。電流量I1はコンプライアンス電流と呼ばれ、選択トランジスタのゲート電圧を調整することで任意の値に設定することができる。 When a voltage of the first predetermined voltage value V1 or more is applied to the resistance change type memory element in the high resistance state SH in the first direction, the resistance change type memory element causes the resistance change type memory element to show the state transition T1. Transition to the low resistance state SL. At this time, the amount of current I1 flowing through the resistance change type memory element when the state transition T1 is caused determines the resistance value of the low resistance state SL after the transition. Specifically, the resistance change type memory element is set to the low resistance state SL having a resistance value (=V1/I1) determined by the applied voltage V1 and the current amount I1 at the time of transition. The current amount I1 is called a compliance current, and can be set to an arbitrary value by adjusting the gate voltage of the selection transistor.
低抵抗状態SLにある抵抗変化型メモリ素子に対して、第1の方向とは逆の第2の方向に第2の所定の電圧値V2以上の電圧を印加すると、抵抗変化型メモリ素子は低抵抗状態SLから高抵抗状態SHに遷移する。高抵抗状態SHにある抵抗変化型メモリ素子は、第1の方向に第1の所定の電圧値V1以上の電圧を印加しない限り、低抵抗状態SLには遷移しない。また低抵抗状態SLにある抵抗変化型メモリ素子は、第2の方向に第2の所定の電圧値V2以上の電圧を印加しない限り、高抵抗状態SHには遷移しない。 When the voltage of the second predetermined voltage value V2 or more is applied to the resistance change type memory element in the low resistance state SL in the second direction opposite to the first direction, the resistance change type memory element becomes low. The resistance state SL transits to the high resistance state SH. The resistance change type memory element in the high resistance state SH does not transition to the low resistance state SL unless a voltage equal to or higher than the first predetermined voltage value V1 is applied in the first direction. Further, the resistance change type memory element in the low resistance state SL does not transition to the high resistance state SH unless a voltage of the second predetermined voltage value V2 or more is applied in the second direction.
リセット状態として高抵抗状態SHにある抵抗変化型メモリ素子に対してシャッタ21の遮断時に受光素子に流れる電流量の電流を第1の方向に流す。このとき、抵抗変化型メモリに印可される電圧が、第1の所定の電圧V1を越えるようにSHの抵抗を設定しておく。これにより、抵抗変化型メモリ素子を低抵抗状態SLに遷移させて、抵抗変化型メモリ素子に当該受光素子の暗電流を記憶させることができる。その後、低抵抗状態SLにある抵抗変化型メモリ素子に第1の方向への第1の所定の電圧V1を印加すれば、記憶した暗電流と同一の量の電流が抵抗変化型メモリ素子に流れることになる。 For the resistance change type memory element that is in the high resistance state SH as the reset state, a current of the amount of the current flowing through the light receiving element when the shutter 21 is closed is passed in the first direction. At this time, the SH resistance is set so that the voltage applied to the resistance change type memory exceeds the first predetermined voltage V1. As a result, the resistance change type memory element can be transited to the low resistance state SL, and the resistance change type memory element can store the dark current of the light receiving element. After that, when the first predetermined voltage V1 in the first direction is applied to the resistance change type memory element in the low resistance state SL, the same amount of stored dark current flows through the resistance change type memory element. It will be.
図1に戻り、読み出し回路23の画素読み出し回路により、抵抗変化型メモリに流れる読み出し電流量(記憶した暗電流)を反映した第1の信号及びシャッタ21の開放時に受光素子に流れる電流量(暗電流と光電流の和)を反映した第2の信号を出力させる。即ち、画素読み出し回路が、暗電流の成分を含む第1の信号と、暗電流の成分及び光電流の成分を含む第2の信号とを出力する。更に、読み出し回路23のCDS回路により、これら第1の信号と第2の信号との間の差分を求める。より具体的には、CDS回路が、第1の信号と第2の信号とに対して、相関二重サンプリングを実行してよい。これにより、画素信号から暗電流の影響を取り除くことが可能となる。
Returning to FIG. 1, the pixel read circuit of the read
CDS回路が相関二重サンプリングを実行して得られる各画素の信号は、赤外線検出器12の出力信号として補正信号処理部13に供給される。補正信号処理部13は、赤外線検出器12の出力信号に対して、受光素子毎の感度や非線形性のばらつきを補正する処理を行うことにより補正後の撮像データを生成する。補正信号処理部13から出力される補正後の撮像データは、表示記録部14に供給され、表示記録部14の表示部に撮像画像として表示されたり、表示記録部14の記録部に格納されたりする。
The signal of each pixel obtained by the CDS circuit performing the correlated double sampling is supplied to the correction
制御部16は、光学系11、赤外線検出器12、及び冷却器15を制御する。制御部16は、所定のタイミングでシャッタ21を開閉することにより、画素アレイ22及び読み出し回路23による暗電流の測定や撮像データの測定を可能にする。制御部16は、温度センサ24の検出する温度に基づいて、冷却器15の動作を制御することにより、赤外線検出器12の温度を一定に保つように動作してよい。制御部16は、温度センサ24の検出する温度に基づいて、シャッタ21、画素アレイ22、及び読み出し回路23を制御して、温度変化のあったときに暗電流の測定及び抵抗変化型メモリ素子への記憶を行うように動作してよい。なお温度センサ24は、赤外線検出器12の温度、より好ましくは画素アレイ22の温度を検出する。
The
図3は、図1に示す赤外線検出装置10における補正処理の概要を示す図である。図3に示されるCDS処理30は、読み出し回路23のCDS回路により実行される。このCDS処理30により暗電流を補正するために、前述のように、赤外線検出器の各画素毎に設けられたバイポーラ型の抵抗変化型メモリ素子に、シャッタ21の遮断時に受光素子に流れる電流量を記憶させてあるものとする。
FIG. 3 is a diagram showing an outline of correction processing in the
CDS処理30に対する入力である第1の信号31は、読み出し回路23に起因するノイズと抵抗変化型メモリ素子に記憶させてある暗電流とを反映した信号、即ち、ノイズ成分と暗電流の成分とを含む信号である。ここで読み出し回路23に起因するノイズとしては、リセットノイズ及び固定パターンノイズがある。リセットノイズは、画素読み出し回路の電荷蓄積キャパシタの電圧をリセットする際に発生するノイズであり、より詳しくは、電荷蓄積ノードにバイアスしていたCMOSスイッチを遮断する時に発生するノイズである。チャージインジェクション、フィードスルー、及びスイッチの熱ノイズが主なリセットノイズの原因となる。固定パターンノイズは、種々の回路素子の特性のばらつきにより生じるノイズであり、読み出し回路23による読み出し動作毎に変化しない一定のノイズである。
The
電荷蓄積キャパシタの電圧のリセット後に、抵抗変化型メモリに流れる読み出し電流を電荷蓄積キャパシタに流すことにより、当該読み出し電流の量に応じて電荷蓄積キャパシタの端子間電圧を変化させる。この変化後の端子間電圧に応じた電圧が、読み出し回路23の画素読み出し回路から、第1の信号31として出力される。
After the voltage of the charge storage capacitor is reset, a read current flowing in the resistance change type memory is caused to flow in the charge storage capacitor, so that the terminal voltage of the charge storage capacitor is changed according to the amount of the read current. A voltage corresponding to the inter-terminal voltage after the change is output as the
CDS処理30に対する第2の信号32は、読み出し回路23に起因するノイズと撮像時に受光素子に流れる撮像電流(暗電流と光電流の和)とを反映した信号、即ち、暗電流の成分と光電流の成分とを含む信号である。電荷蓄積キャパシタの電圧のリセット後に、受光素子に流れる撮像時の電流(即ちシャッタ21開放時に受光素子に流れる電流)を電荷蓄積キャパシタに流すことにより、当該電流の量に応じて電荷蓄積キャパシタの端子間電圧を変化させる。この変化後の端子間電圧に応じた電圧が、読み出し回路23の画素読み出し回路から、第2の信号32として出力される。
The
CDS処理30により第1の信号31と第2の信号32との差分をとることにより、リセットノイズ、固定パターンノイズ、及び暗電流の成分が除去された出力信号を生成することができる。即ち、この出力信号には光電流の成分のみが含まれることになる。その後、出力信号に対して、感度及び非線形性補正処理33が実行される。この感度及び非線形性補正処理33は、図1に示される補正信号処理部13により実行される。
By taking the difference between the
図4は、画素アレイと読み出し回路との構成の一例を示す図である。画素アレイ回路41は、縦横にマトリクス上に配置された複数の受光素子43を含む。1つの受光素子43が1つの画素に対応する。画素アレイ回路41は、図1の画素アレイ22に対応する。
FIG. 4 is a diagram showing an example of the configuration of the pixel array and the readout circuit. The pixel array circuit 41 includes a plurality of light receiving
画素読み出し回路アレイ42及びCDS回路46が、図1の読み出し回路23に対応する。画素読み出し回路アレイ42は、縦横にマトリクス上に配置された複数の画素読み出し回路44を含む。複数の画素読み出し回路44は複数の受光素子43と一対一に対応して設けられており、代表して1つのみ示すバンプ45により、対応する画素読み出し回路44と受光素子43とが互いに電気的に接続されている。なおバンプ45は、受光素子43の上下電極を画素読み出し回路44に引き出すため、1画素につき2つのバンプから形成されている。
The pixel
行方向(図面横方向)に並ぶ一列の画素読み出し回路44は、複数の行ライン48のうちの一本をアサートすることにより選択することができる。選択された1つの行の複数の画素読み出し回路44は、列方向(図面縦方向)に延びる複数の列ライン47を介して、複数のCDS回路46に一対一に電気的に接続される。
The column of
図1に示される光学系11が、画素アレイ回路41の複数の受光素子43が並ぶ面上に入射赤外光を結像させる。各受光素子43に入射光の強度に応じた電流が流れ、当該電流が画素読み出し回路44に供給される。画素読み出し回路44は、受光素子43からの電流を電圧に変換して更に増幅し、増幅後の電圧を列ライン47を介してCDS回路46に供給する。
The
図5は、読み出し回路の構成の一例を示す図である。前述のように、読み出し回路23は画素読み出し回路とCDS回路とを含む。図5に示される1つの画素に対応する画素読み出し回路44は、MOSトランジスタ52乃至63、抵抗変化型メモリ素子64、電荷蓄積キャパシタ65、及びスイッチ回路SW1及びSW2を含む。なおMOSトランジスタ52に接続されている受光素子43は、画素読み出し回路44の一部ではなく、画素アレイ22に含まれる複数の受光素子43(図4参照)のうちで、当該画素読み出し回路44に対応する1つの受光素子である。画素読み出し回路44には、抵抗変化型メモリ素子64への書き込み電流及び抵抗変化型メモリ素子64からの読み出しを行うためのカレントミラー回路であるPMOSトランジスタ72及び73並びにスイッチ回路SW3及びSW4が接続されている。また画素読み出し回路44には更に、抵抗変化型メモリ素子64を高抵抗状態にリセットするためのライトドライバ71が接続されている。
FIG. 5 is a diagram showing an example of the configuration of the read circuit. As described above, the
画素読み出し回路44の出力信号はCDS回路に供給される。図5において、CDS回路は、MOSトランジスタ82及び83、キャパシタ84及び85、並びに差動増幅器86を含む。MOSトランジスタ81は、負荷トランジスタであり、MOSトランジスタ55と共に出力増幅のためのソースフォロワ回路を形成する。
The output signal of the
図1に示す制御部16が各トランジスタの導通及び非導通状態並びに各スイッチ回路の導通及び非導通状態を制御することにより、画素読み出し回路44における暗電流記憶動作、暗電流読み出し動作、撮像電流検出動作を実行する。暗電流記憶動作により、受光素子43に流れる暗電流の電流量を抵抗変化型メモリ素子64に記憶する。暗電流読み出し動作により、抵抗変化型メモリ素子64に流れる読み出し電流の電流量を電荷蓄積キャパシタ65から流して電荷蓄積キャパシタ65を放電させる。また撮像電流検出動作により、受光素子43に流れる電流を電荷蓄積キャパシタ65から流して電荷蓄積キャパシタ65を放電させる。以下にそれぞれの動作をより詳細に説明する。
The
なお何れの動作においても、最初にMOSトランジスタ52及び53を非導通にし、MOSトランジスタ54を導通にすることにより、電荷蓄積キャパシタ65をリセット電圧にリセットしてよい。なおMOSトランジスタ54のチャネル端とMOSトランジスタ55のチャネル端との間のノードはリセット電位に設定されている。その後、MOSトランジスタ54を遮断するが、このときに前述のリセットノイズが発生し、電荷蓄積キャパシタ65が記憶する電圧がノイズを含むものとなる。
In any operation, the
暗電流記憶動作においては、まず最初に抵抗変化型メモリ素子64を高抵抗状態にリセットしておく。このリセット動作を実行するためには、MOSトランジスタ59及び62を非導通状態にすると共に、MOSトランジスタ61及び63を導通状態にする。この状態で、ライトドライバ71側を十分に高い電位に設定し、MOSトランジスタ61を介してグランド電位に接続することで、抵抗変化型メモリ素子64を高抵抗状態にリセットする。その後、シャッタ21(図1参照)が閉じた状態において、MOSトランジスタ52及び53をそれぞれ導通及び非導通にして、電荷蓄積キャパシタ65から受光素子43及びMOSトランジスタ58を介して暗電流を流す。
In the dark current storage operation, the resistance change
このとき、スイッチ回路SW1及びSW2は図示のようにそれぞれ非導通状態及び導通状態としておく。またスイッチ回路SW3及びSW4は図示のようにそれぞれ非導通状態及び導通状態としておく。またMOSトランジスタ59、60、及び62は導通状態とし、MOSトランジスタ61及び63は非導通状態としておく。カレントミラー回路の働きによって、MOSトランジスタ58を流れる暗電流と同じ量の電流がMOSトランジスタ57を流れ、更に、MOSトランジスタ57を流れる電流と同じ量の電流が抵抗変化型メモリ素子64に流れる。このとき抵抗変化型メモリ素子64には十分な電圧が印加されており、抵抗変化型メモリ素子64は暗電流の量を記憶する低抵抗状態に設定される。
At this time, the switch circuits SW1 and SW2 are in a non-conducting state and a conducting state, respectively, as shown in the figure. Further, the switch circuits SW3 and SW4 are set in a non-conducting state and a conducting state, respectively, as shown in the figure. Further, the
暗電流読み出し動作においては、スイッチ回路SW1及びSW2は図示の状態とは逆にそれぞれ導通状態及び非導通状態としておく。またスイッチ回路SW3及びSW4は図示の状態とは逆にそれぞれ導通状態及び非導通状態としておく。またMOSトランジスタ59、60、及び62は導通状態とし、MOSトランジスタ61及び63は非導通状態としておく。またMOSトランジスタ52及び53をそれぞれ非導通及び導通にする。この状態で、抵抗変化型メモリ素子64への印加電圧は書き込み時と同一の電圧となり、抵抗変化型メモリ素子64には記憶した暗電流の量と同一の量の読み出し電流が流れる。
In the dark current read operation, the switch circuits SW1 and SW2 are set to the conducting state and the non-conducting state, respectively, contrary to the illustrated state. Further, the switch circuits SW3 and SW4 are set in a conductive state and a non-conductive state, respectively, opposite to the illustrated state. Further, the
カレントミラー回路の働きによって、読み出した暗電流と同一の量の電流がMOSトランジスタ57に流れ、更に、MOSトランジスタ57を流れる電流と同じ量の電流がMOSトランジスタ58に流れる。これにより、電荷蓄積キャパシタ65からMOSトランジスタ53及び58を介して暗電流と同一の量の電流が流れ、電荷蓄積キャパシタ65の電圧値は暗電流の量に応じた電圧変化を示す。撮像時と同一の時間だけ電流を流すことで、電荷蓄積キャパシタ65の電圧値は、撮像時の暗電流による電圧低下と同一の電圧低下を示す電圧値に設定される。
Due to the function of the current mirror circuit, the same amount of current as the read dark current flows through the
その後、行選択用のMOSトランジスタ56を導通させ、MOSトランジスタ81、82、及び83をそれぞれ導通、導通、及び非導通にすることで、電荷蓄積キャパシタ65の電圧に応じた電圧(増幅電圧)をキャパシタ84に保持することができる。
After that, the row
撮像電流検出動作においては、スイッチ回路SW1及びSW2は図示のように非導通状態及び導通状態としておく。またMOSトランジスタ59、60、61及び63は全て非導通状態としておく。またMOSトランジスタ52及び53をそれぞれ導通及び非導通にする。この状態で、シャッタ21(図1参照)が開いているときに、電荷蓄積キャパシタ65から受光素子43及びMOSトランジスタ58を介して撮像電流(光電流+暗電流)を流す。これにより、電荷蓄積キャパシタ65の電圧値は撮像電流の量に応じた電圧変化を示す。所定の時間だけ電流を流すことで、電荷蓄積キャパシタ65の電圧値は、撮像電流の大きさに応じた電圧低下を示す電圧値に設定される。
In the imaging current detection operation, the switch circuits SW1 and SW2 are in the non-conducting state and the conducting state as illustrated. Further, all the
その後、行選択用のMOSトランジスタ56を導通させ、MOSトランジスタ81、82、及び83をそれぞれ導通、非導通、及び導通にすることで、電荷蓄積キャパシタ65の電圧に応じた電圧(増幅電圧)をキャパシタ85に保持することができる。差動増幅器86は、キャパシタ84の電圧キャパシタ85の電圧との差電圧に応じた電圧を出力する。この差動増幅器86の出力電圧は、暗電流の影響が取り除かれた、即ち暗電流が補正された撮像画素電圧となる。またこの出力電圧は、固定パターンノイズ及びリセットノイズの影響が取り除かれた撮像画素電圧となる。
After that, the row
なおリセットノイズにはランダム成分も含まれるので、2回の異なるリセット動作により発生した2つのリセットノイズを相関二重サンプリングへの入力としても、このランダム成分については完全にリセットノイズを相殺することはできない。即ち、暗電流読み出し動作と撮像電流検出動作とでそれぞれ異なるリセット動作を実行したのでは、完全にリセットノイズを相殺することはできない。これを考慮して例えば電荷蓄積キャパシタ65を一対のキャパシタとして、これら2つのキャパシタに対して同一のリセット動作を実行し、その後2つのキャパシタを互いから分離して、それぞれのキャパシタに対して暗電流読み出し動作と撮像電流検出動作とを実行してもよい。その後、これら2つのキャパシタの電圧に応じた電圧(増幅電圧)同士の差分を取ることにより、同一のリセットノイズを相殺することが可能となる。但しこの場合には、異なる回路要素(同一スペックではあるが物理的に異なるキャパシタ)を用いることになるので、それにより起因する固定パターンノイズが含まれる可能性がある。
Since the reset noise also includes a random component, even if two reset noises generated by two different reset operations are input to the correlated double sampling, the reset noise cannot be completely canceled out for this random component. Can not. That is, if different reset operations are executed for the dark current read operation and the imaging current detection operation, the reset noise cannot be canceled out completely. In consideration of this, for example, the
上記のように、暗電流のデータを読み出し回路中に設けた不揮発性メモリに記憶することで、リセットノイズと固定パターンノイズとに加えて暗電流も相関二重サンプリングにより除去することが可能となる。この構成により、暗電流データを外部に保持してデータ補正を行う必要がなくなり、装置の小型化及び軽量化が実現できると共に、高感度と高速動作とを両立することが可能となる。 By storing the dark current data in the non-volatile memory provided in the read circuit as described above, it is possible to remove the dark current in addition to the reset noise and the fixed pattern noise by correlated double sampling. . With this configuration, it is not necessary to hold the dark current data externally to perform data correction, the size and weight of the device can be reduced, and high sensitivity and high speed operation can both be achieved.
なお暗電流記憶動作及び暗電流読み出し動作のためのカレントミラー回路等を設けることによって、読み出し回路23に実装されるトランジスタの数が増加する。しかしながら赤外線検出装置の画素面積は赤外線の波長によって決まっており、小さい場合でも10μmx10μm〜20μmx20μm程度の大きさである。従ってトランジスタ数の増加により赤外線検出器の受光面の面積が増加することは殆どない。
By providing a current mirror circuit or the like for the dark current storing operation and the dark current reading operation, the number of transistors mounted in the
図6は、図1に示す赤外線検出装置及び図5に示す回路の動作の一例を示すフローチャートである。図6に示す各ステップは、図1に示す制御部16が、シャッタ21、画素アレイ22、及び読み出し回路23等を適宜使用することにより実行してよい。
FIG. 6 is a flow chart showing an example of the operation of the infrared detection device shown in FIG. 1 and the circuit shown in FIG. The steps shown in FIG. 6 may be executed by the
ステップS11において、赤外線検出器の電源が投入される。ステップS12において、制御部16が、赤外線検出装置の使用が初回である、前回の暗電流記憶時の温度と比較して所定温度差以上の温度変化がある、又は、前回の暗電流記憶時から一定時間以上経過している、の何れかの条件が満たされるかを判定する。温度変化については、制御部16が暗電流記憶時に温度センサ24の示す温度検出値を記憶しておき、現在の温度センサ24の示す温度値と記憶されている温度検出値とを比較することにより、制御部16が判定を行えばよい。
In step S11, the infrared detector is powered on. In step S12, the
ステップS12の何れかの条件が満たされる場合、ステップS13において、制御部16がシャッタ21を閉じる。ステップS14において、制御部16は、読み出し回路23を制御することにより、前述の暗電流記憶動作を実行し、各画素の受光素子43の暗電流を各画素毎の抵抗変化型メモリ素子64に記憶する。なおこのとき、電荷蓄積キャパシタ65の電圧は暗電流を反映した電圧となっているので、この暗電流記憶動作で得られた電荷蓄積キャパシタ65の電圧に応じた増幅電圧を、CDS回路の一方のキャパシタ(例えば図5のキャパシタ84)に保持してよい。
If any of the conditions in step S12 is satisfied, the
ステップS15において、制御部16はシャッタ21を開く。その後ステップS17において、制御部16は前述の撮像電流検出動作を実行し、光電流と暗電流との和を電荷蓄積キャパシタ65の電圧に反映させ、当該電圧に応じた増幅電圧をCDS回路の他方のキャパシタ(例えば図5のキャパシタ85)に保持する。ステップS18において、制御部16は、CDS回路を用いて相関二重サンプリングを実行する。
In step S15, the
ステップS12の何れの条件も満たされない場合、ステップS16において、制御部16は前述の暗電流読み出し動作を実行する。即ち、制御部16は、抵抗変化型メモリ素子64から読み出した暗電流を電荷蓄積キャパシタ65の電圧に反映させ、当該電圧に応じた増幅電圧をCDS回路の他方のキャパシタ(例えば図5のキャパシタ85)に保持する。その後ステップS17の撮像電流検出動作及びステップS18の相関二重サンプリング動作を実行する。
When none of the conditions in step S12 are satisfied, in step S16, the
ステップS18の相関二重サンプリングを実行した後、次のビデオフレームの撮像をするために制御手順はステップS12に戻り、以降の処理を繰り返す。またステップS19において、一連のビデオデータを出力する。なおステップS19のデータ出力のタイミングは適宜変更してよく、一連のビデオデータを格納するだけのメモリを有していない場合には、各フレーム毎のビデオデータ或いは各行毎のビデオデータを順次出力するようにすればよい。 After performing the correlated double sampling in step S18, the control procedure returns to step S12 to capture the next video frame, and the subsequent processing is repeated. In step S19, a series of video data is output. Note that the data output timing in step S19 may be changed as appropriate, and if there is not a memory for storing a series of video data, the video data for each frame or the video data for each row is sequentially output. You can do it like this.
上述のように、制御部16は、受光素子43に流れる暗電流の電流量を抵抗変化型メモリ素子64に記憶させる動作を複数のビデオフレームに一度、例えばステップS12の何れかの条件が満たされるときに、間欠的に実行させる。冷却型の量子型赤外線検出器の場合、理想的には動作温度が一定であり、出荷前に固定動作温度において暗電流のデータを取得しておけばよい。しかし実際には周辺の環境変化や冷凍機性能の経時変化により、実際の使用環境温度は時々刻々と微妙に変化する。図5に示す読み出し回路23を有する図1に示す赤外線検出装置10では、書き換え可能な不揮発性メモリである抵抗変化型メモリ素子を用いることで、外部環境の変化や冷却機の経時変化等に対して柔軟に対応することが可能となる。
As described above, the
図7は抵抗変化型メモリ素子の構成の一例を示す図である。図7は読み出し回路23を実装する半導体装置の一部を模式的に示す図である。図7に示す半導体装置の一部は、半導体基板101、ソース領域拡散層102、ドレイン領域拡散層103、ゲート電極104、及び4層のメタル配線M1乃至M4を含む。本願開示の赤外線検出器12では、抵抗変化型メモリ素子64を読み出し回路23に混載することにより実装してある。即ち、抵抗変化型メモリ素子64は、読み出し回路23のメタル配線層間に埋め込む形で実装されている。
FIG. 7 is a diagram showing an example of the configuration of the resistance change type memory element. FIG. 7 is a diagram schematically showing a part of a semiconductor device on which the
詳しくは、図7に示す読み出し回路23の一部において、抵抗変化型メモリ素子は、抵抗変化材料層105、上部金属電極106、及び下部金属電極107を含む。上部金属電極106は例えば最上層のメタル配線M4に直接に接続されており、下部金属電極107は例えばメタル配線M3に専用ビア108を介して接続されている。
Specifically, in the part of the read
抵抗変化型メモリ素子64の素子面積は受光素子43の面積と比較すれば十分に小さく、更には、上述のように読み出し回路23の半導体装置のメタル配線中に抵抗変化型メモリ素子64を混載することができる。従って、抵抗変化型メモリ素子64を画素毎に設けることにより、赤外線検出器12の画素面積が増加することは殆どない。
The element area of the resistance change
図8は、カレントミラー回路により入力電流の一倍の大きさの電流を生成する場合の回路構成について説明するための図である。図8(A)には、カレントミラー回路に用いるMOSトランジスタを上部から見た模式的な平面図を示す。MOSトランジスタは、ソース領域拡散層111、ドレイン領域拡散層112、ゲート電極110を含む。このMOSトランジスタのトランジスタ幅はTwであるとする。
FIG. 8 is a diagram for explaining the circuit configuration in the case where a current having a magnitude that is one time the input current is generated by the current mirror circuit. FIG. 8A shows a schematic plan view of a MOS transistor used in the current mirror circuit as seen from above. The MOS transistor includes a source
図8(B)は、入力電流の一倍の大きさの電流を生成するカレントミラー回路の構成の一例を示す。図8(B)に示すカレントミラー回路は、MOSトランジスタ113及び114並びに抵抗変化型メモリ素子115を含む。MOSトランジスタ113及び114の各々は、図8(A)に示すMOSトランジスタと同一サイズのトランジスタであり、同一のトランジスタ幅Twを有する。抵抗変化型メモリ素子115に記憶した電流量の電流をMOSトランジスタ113に流すことにより、その電流と同量の電流をMOSトランジスタ114に流すことができる。
FIG. 8B shows an example of the structure of a current mirror circuit which generates a current having a magnitude one time the input current. The current mirror circuit shown in FIG. 8B includes
図9は、カレントミラー回路により入力電流のm倍の大きさの電流を生成する場合の回路構成について説明するための図である。図9(A)には、カレントミラー回路に用いるMOSトランジスタを上部から見た模式的な平面図を示す。このMOSトランジスタは、複数のソース領域拡散層121、複数のドレイン領域拡散層122、複数のゲート電極120を含む。各ソース領域拡散層同士を接続し、また各ドレイン拡散層同士を接続することにより、同一のトランジスタ幅を有する複数のMOSトランジスタを並列に接続した回路構成を実現することができる。互いに並列に接続される複数のMOSトランジスタの一つ一つのトランジスタ幅はTwであるとする。
FIG. 9 is a diagram for explaining a circuit configuration in the case where a current having a magnitude m times the input current is generated by the current mirror circuit. FIG. 9A is a schematic plan view of a MOS transistor used in a current mirror circuit as seen from above. This MOS transistor includes a plurality of source region diffusion layers 121, a plurality of drain region diffusion layers 122, and a plurality of
図9(B)は、入力電流のm倍の大きさの電流を生成するカレントミラー回路の構成の一例を示す。図9(B)に示すカレントミラー回路は、MOSトランジスタ123及び124並びに抵抗変化型メモリ素子125を含む。MOSトランジスタ123は、例えば図8(A)に示すMOSトランジスタと同一サイズのトランジスタであり、トランジスタ幅Twを有する。MOSトランジスタ124は、図9(A)に示すMOSトランジスタであり、トランジスタ幅Twを有するMOSトランジスタが複数m個並列に接続されている。従って、MOSトランジスタ124は実効的にトランジスタ幅がmTwとなる。抵抗変化型メモリ素子125に記憶した電流量の電流をMOSトランジスタ123に流すことにより、その電流のm倍の量の電流をMOSトランジスタ124に流すことができる。
FIG. 9B illustrates an example of a structure of a current mirror circuit which generates a current whose magnitude is m times the input current. The current mirror circuit shown in FIG. 9B includes
前述の図5に示す読み出し回路23においては、例えばPMOSトランジスタ73を図9(A)に示すような構成としてよい。暗電流記憶動作においては、例えば図9(A)に示されるゲート電極120のうちの一番端のゲート電極のみを使用することで、PMOSトランジスタ73のトランジスタ幅をPMOSトランジスタ72のトランジスタ幅と同一とする。それに対して暗電流読み出し動作においては、全てのゲート電極を使用することで、PMOSトランジスタ73のトランジスタ幅をPMOSトランジスタ72のトランジスタ幅のm倍とすることができる。これにより、カレントミラー回路により、抵抗変化型メモリ素子64に流れる読み出し電流の定数倍の電流を生成し、この定数倍の電流により変化した電荷蓄積キャパシタ65の端子間電圧に応じた電圧を、画素読み出し回路44から出力することが可能となる。なおPMOSトランジスタ72及び73は、画素アレイ22の各画素に対応した画素読み出し回路44の外部に設けられており、記憶時と読み出し時とで上記のように切り替える構成としても画素面積が増加することはない。
In the
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。 Although the present invention has been described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims.
10 赤外線検出装置
11 光学系
12 赤外線検出器
13 補正信号処理部
14 表示記録部
15 冷却器
16 制御部
17 制御部
21 シャッタ
22 画素アレイ
23 読み出し回路
24 温度センサ
10
Claims (9)
各画素毎に設けられたバイポーラ型の抵抗変化型メモリ素子を含み、前記受光素子に流れる暗電流の電流量を前記抵抗変化型メモリ素子に記憶可能であり、前記抵抗変化型メモリ素子に流れる読み出し電流量を反映した第1の信号及び前記受光素子に流れる撮像時の電流量を反映した第2の信号を出力する読み出し回路と、
前記第1の信号と前記第2の信号との間の差分を求める差分回路と、
を含む撮像装置。 A pixel array including a light-receiving element for detecting infrared rays provided for each pixel,
A bipolar resistance change memory element provided for each pixel is included, and the amount of dark current flowing through the light receiving element can be stored in the resistance change memory element, and read out flowing through the resistance change memory element. A read circuit that outputs a first signal that reflects the amount of current and a second signal that reflects the amount of current that flows in the light-receiving element during imaging.
A difference circuit for obtaining a difference between the first signal and the second signal;
An imaging device including.
入射光を撮像面上に結象する光学系と、
前記入射光を遮断するシャッタと、
各画素毎に設けられた赤外線を検出する受光素子を含み前記撮像面上に設けられた画素アレイと、
各画素毎に設けられたバイポーラ型の抵抗変化型メモリ素子を含み、前記シャッタの遮断時に前記受光素子に流れる電流量を前記抵抗変化型メモリ素子に記憶可能であり、前記抵抗変化型メモリ素子に流れる読み出し電流量を反映した第1の信号及び前記シャッタの開放時に前記受光素子に流れる電流量を反映した第2の信号を出力する読み出し回路と、
前記第1の信号と前記第2の信号との間の差分を求める差分回路と、
を含む赤外線検出装置。 A cooler,
An optical system that forms incident light on the imaging surface,
A shutter that blocks the incident light,
A pixel array provided on the image pickup surface, including a light receiving element for detecting infrared rays provided for each pixel;
A bipolar variable resistance memory element provided for each pixel is included, and the amount of current flowing through the light receiving element when the shutter is shut off can be stored in the variable resistance memory element. A read circuit that outputs a first signal that reflects the amount of read current that flows and a second signal that reflects the amount of current that flows in the light receiving element when the shutter is opened;
A difference circuit for obtaining a difference between the first signal and the second signal;
Infrared detector including.
電荷蓄積キャパシタの電圧をリセットした後に、前記電荷蓄積キャパシタの端子間電圧を前記抵抗変化型メモリ素子に流れる読み出し電流に応じて変化させて第1の電圧を生成し、
電荷蓄積キャパシタの電圧をリセットした後に、前記電荷蓄積キャパシタの端子間電圧を前記シャッタの開放時に受光素子に流れる電流により変化させて第2の電圧を生成し、
前記第1の電圧に応じた電圧と前記第2の電圧に応じた電圧との差分をとる
各段階を含む赤外線検出器の暗電流の補正方法。 A bipolar resistance change type memory element provided for each pixel of an infrared detector capable of blocking incident light by a shutter stores the amount of current flowing through the light receiving element when the shutter is blocked,
After resetting the voltage of the charge storage capacitor, the terminal voltage of the charge storage capacitor is changed according to the read current flowing in the resistance change type memory element to generate a first voltage,
After resetting the voltage of the charge storage capacitor, the inter-terminal voltage of the charge storage capacitor is changed by the current flowing in the light receiving element when the shutter is opened to generate the second voltage,
A method for correcting dark current of an infrared detector, comprising: each step of obtaining a difference between a voltage corresponding to the first voltage and a voltage corresponding to the second voltage.
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