(57)【要約】【課題】行単位で定電流駆動される熱型赤外線固体撮像素子において、垂直方向の配線での電圧降下分布を低減できる赤外線固体撮像素子を提供する。【解決手段】熱型赤外線固体撮像素子は、ダイオード801を含む画素アレイと、水平駆動線802と接続され、複数の水平駆動線を共通接続する垂直電源線804と、垂直信号線807毎に設けられ、垂直信号線端の電圧を所定の積分時間の間、積分する積分回路809と、垂直信号線端の積分回路と反対側の端に配置された電流源808とを備える。積分時間を実質２N（Nは自然数）等分し、積分時間においてＮ個の２Ｎ等分された区間が占める期間では、垂直電源線804の一方の端と電流源808との間で通電し、積分時間における残りの期間では、垂直電源線804の他方の端と流源808との間で通電する。【選択図】図１
2010217009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１個以上直列接続されたダイオードが含まれる画素が水平方向及び垂直方向に２次元的に配列された画素アレイと、
前記ダイオードの一端を行毎に共通接続した複数の水平駆動線と、
前記ダイオードの他端を列毎に共通接続した複数の垂直信号線と、
前記各水平駆動線と第１のスイッチを介して接続され、前記複数の水平駆動線を共通接続する垂直電源線と、
前記スイッチを駆動する垂直走査回路と、
前記垂直信号線端の電圧を所定の積分時間の間、積分する積分回路と、
前記垂直信号線において前記積分回路が接続された端と反対側の端に接続された電流源とを備え、
前記積分時間を実質２N（Nは自然数）等分し、前記積分時間においてＮ個の２Ｎ等分された区間が占める期間では、前記垂直電源線の一方の端と前記電流源との間で通電し、前記積分時間における残りの期間では、垂直電源線の他方の端と前記電流源の間で通電する、
ことを特徴とする熱型赤外線固体撮像素子。
【請求項２】
前記垂直電源線の両端に第２及び第３のスイッチを介して接続された第１及び第２の電源端子を備え、前記積分時間内での通電切替を前記第２及び第３のスイッチを切り替えることにより行う、ことを特徴とする請求項１記載の熱型赤外線固体撮像素子。
【請求項３】
前記垂直電源線の一端に第２のスイッチを介して接続された電源端子を備え、前記垂直電源線の他端は、前記垂直電源線よりも抵抗値が低い第２の電源線と前記第２のスイッチを介して前記電源端子に接続されている、ことを特徴とする、請求項１記載の熱型赤外線固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射赤外線による温度変化を2次元配列されたセンサで検出する熱型赤外線固体撮像素子に関し、特に、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。
【背景技術】
【０００２】
定電流駆動されたダイオードの順方向電圧の温度依存性を利用した赤外線固体撮像素子の回路として特許文献1に記載されたものがある。図８に特許文献１に記載の赤外線固体撮像素子の構成を示す。
【０００３】
固体撮像素子では画素間の特性均一性が重要である。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、特性均一性を図る上で特に有効である。赤外線検知部となる断熱構造を有したダイオード801が、感度を高めるために複数個（図８の例では3個）直列に接続されている。ダイオード801は2次元に（図８の例では4行×4列）配列されて画素アレイを構成する。行毎に各画素のダイオード801の陽極は水平駆動線802によって共通接続され、列毎に各画素のダイオード801の陰極は垂直信号線807によって共通接続されている。垂直走査回路806とスイッチ803、8031、…により、各行の水平駆動線802が垂直電源線804に順に接続される。これにより、電源端子805から、選択された行のダイオード801に電源電圧が供給される。また、特許文献１では、ダイオード801の陰極側に接続された垂直信号線807の終端に定電流源808が接続されており、このため、ダイオード801は定電流駆動となる。定電流源808の両端の電圧は積分回路809で積分及び増幅され、水平走査回路810とスイッチ811によって順に出力端子812へ出力される。
【０００４】
水平駆動線802に流れる電流は画素エリアの右端にいく程減少するので、駆動線内の列間で電圧分布が生じる。このため、特許文献１では、水平駆動線802と同一抵抗をもつバイアス線819を積分回路809近傍に配置し、画素列単位で電流源808と同一電流を流す第2の電流源820を配置している。これにより、水平駆動線802内の電圧分布を模擬して、バイアス線819の電圧と、垂直信号線807の電圧とを積分回路809によって差動積分することで、水平駆動線802における電圧降下分布による積分回路809の飽和等を防止して、必要な増幅度を容易に確保することを可能としている。
【０００５】
また、電流源815により定電流駆動され、断熱構造をもたないダイオード814からなる参照信号出力回路813が設けられている。バイアス線819には、この参照信号出力回路813の電圧をもとにローパスフィルタ816、818とバッファ817を介して電圧が与えられている。これにより温度ドリフトも少ない赤外線固体撮像素子を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３-２２２５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献1では垂直電源線804及び垂直信号線807の抵抗による電圧分布（ばらつき）に起因する出力分布について考慮していない。熱型赤外線固体撮像素子の赤外光に対するレスポンス、即ち、画素の両端電圧の変化は、垂直電源線804及び垂直信号線807における電圧降下成分にくらべはるかに小さい。このため、撮像した画像に垂直電源線804及び垂直信号線807の抵抗による電圧分布が発生すると、その電圧降下分布によって増幅回路809が飽和等をおこし、必要な増幅度を確保できないという問題がある。
【０００８】
ここで、垂直電源線804及び垂直信号線807の抵抗による電圧分布について図９を用いて考察する。図９は、図８に示す回路において、水平駆動線802、垂直電源線804及び垂直信号線807の画素ピッチ単位での抵抗を明示的に示した図である。図９では、下から2行目が通電されているとし、その際の電流の流れる経路を破線で示している。また、説明の便宜上、画素アレイは4行×4列構成とし、通電している下から2行目のダイオードを白抜きで表示している。また、簡単のため積分回路809は単一入力構成とし、ダイオードは画素内で1個としている。図９において、垂直電源線804、水平駆動線802、垂直信号線807の画素ピッチ単位での抵抗を、それぞれをRb, Rd, Rsとする。設計上、水平駆動線802は行間で、垂直信号線807は列間で同じレイアウトであり、Rdは行間で、Rsは列間で一致している。電流源808の電流をIとする。とする。下から2行目が通電された場合、垂直電源線804には水平方向の画素数（4個）分の電流4Iが流れるのに対し、垂直信号線807には電流Iが流れる。よって、下から2行目が通電された場合の、垂直方向の配線における電圧降下ΔVv2は次式で示される。
ΔVv2＝Rb・4I＋2Rs・I                (1)
【０００９】
同様に、下から3行目を通電した時の垂直方向の配線における電圧降下ΔV3は次式で示される。
ΔVv3＝2Rb・4I＋Rs・I                 (2)
【００１０】
同様に、下から4、1行目を通電した時の垂直方向の配線における電圧降下ΔVv4、ΔVv1は次式で示される。
ΔVv4＝3Rb・4I                        (3)
ΔVv1＝3Rs・I                         (4)
【００１１】
上記の関係をM行×N列の画素アレイに拡張し、下からm行目に通電した場合の垂直方向の配線における電圧降下ΔVmは次式で示される。
ΔVvm＝(m-1)・Rb・NI＋(M−m)・Rs・I
＝m・(N・Rb−Rs)・I−m・Rb・N・I ＋M・Rs・I          (5)
よって、通電する行に関わらず垂直方向の配線における電圧降下ΔVmを一定にするための条件は以下となる。
N・Rb＝Rs                 (6)
【００１２】
すなわち、（6）式の関係を満たすように、垂直電源線804と垂直信号線807のレイアウトを決定する必要がある。ただし、図からわかるように、垂直電源線804と垂直信号線807の周囲回路すなわち周囲レイアウトが異なるため、単位長あたりのRb、Rsはプロセス変動により同じ割合だけ変化するとは限らず(6)式の関係をレイアウトのみで厳密に一致させることは困難である。特に画素数（N）が大きくなると、RbとRsに少しのずれが発生しても、垂直電源線804と垂直信号線807での電圧降下量の差が大きくなり、さらに積分回路509でこの値が増幅されることになるので、素子出力における出力分布は大きくなる可能性がある。
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、垂直配線系での電圧降下分布を低減できる赤外線固体撮像素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る熱型赤外線固体撮像素子は、少なくとも１個以上直列接続されたダイオードが含まれる画素が水平方向及び垂直方向に２次元的に配列された画素アレイと、ダイオードの一端を行毎に共通接続した複数の水平駆動線と、ダイオードの他端を列毎に共通接続した複数の垂直信号線と、各水平駆動線と第１のスイッチを介して接続され、複数の水平駆動線を共通接続する垂直電源線と、スイッチを駆動する垂直走査回路と、垂直信号線端の電圧を所定の積分時間の間、積分する積分回路と、垂直信号線において積分回路が接続された端と反対側の端に接続された電流源とを備える。積分時間を実質２N（Nは自然数）等分し、積分時間においてＮ個の２Ｎ等分された区間が占める期間では、垂直電源線の一方の端と電流源との間で通電し、積分時間における残りの期間では、垂直電源線の他方の端と電流源の間で通電する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、積分時間を分割した各々の期間において垂直電源線上の垂直方向に発生する通電経路が異なる電圧降下を、積分回路により合算処理する。これにより、電圧降下の通電行位置依存性を減算する。さらに垂直信号線における、積分回路が接続された端とは反対側の端に電流源を設けたので、通電行から電流源までの垂直信号線の電位効果が積分回路には入力されなくなる。これにより画素数や配線レイアウトや配線構造によらず、垂直配線系での電圧降下の行間での分布を削減できる。よって、回路での飽和を起こすことなく必要な増幅度が確保でき、かつ、出力均一性がよい赤外線固体撮像素子が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。
【図２】積分回路の構成例を示す回路図である。
【図３】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動作を示すタイミング図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。
【図６】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。
【図７】本発明の実施の形態３に係る熱型赤外線固体撮像素子の動作を示すタイミング図である。
【図８】従来の熱型赤外線固体撮像素子を示す回路図である。
【図９】従来の熱型赤外線固体撮像素子において垂直方向の電圧降下を説明した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１に本発明の第１の実施形態による4×4画素の赤外線固体撮像素子を示す。本実施形態の赤外線固体撮像素子は、図８、９に示した特許文献１の赤外線固体撮像素子の構成に加えて、垂直電源線804の両端に電源端子805と電源端子101とを設け、それぞれの端子805、101からの通電を制御するスイッチ102と103とをさらに備えている。さらに積分回路809と反対側の垂直信号線807の端に電流源808を設けている。なお、図１では、説明の便宜上、画素内にはダイオードを1個のみ含む構成としている。また、下から2行目のダイオードを白抜きで表示しているが、これはダイオードが通電状態であることを示すためである。
【００１８】
図２に、積分回路809の構成を示す。差動電圧電流変換アンプ1001はで2つの入力信号電圧V+、V-の差分に比例した電流を出力する。この電流は水平帰線期間（水平走査期間から行通電期間を除いた期間）に周期的にスイッチ1003で所定の電圧VRにリセットされる積分容量1002に、行通電期間の間、流れ込み、積分容量1002の電位を変化させる。この変化は行通電期間の終わりにサンプルホールド回路1004でサンプルホールドされ、バッファアンプ1005を介して出力される。
【００１９】
図３に、各スイッチ803のゲート8031〜8034に加えられるクロック及び各スイッチ102〜105の開閉タイミングを示している。スイッチ8031〜8034には水平走査期間単位で順にクロックが与えられ、クロックが与えられている期間が行単位でのダイオード通電時間（行通電時間）となる。この期間の間、積分回路809で信号が積分増幅される。よって、行通電時間を長くするほど、積分回路809の増幅率も高くなり、雑音も低減できる。通常は水平走査期間の90％近い期間が行通電時間に割り当てられる。行通電時間は例えば２分に設定される。本実施形態では、特に、図３(e)、(f)に示すように、行通電時間（積分時間）を前半と後半の２つの期間に分け、前半の期間では、スイッチ102を閉じ（ON）、スイッチ103を開き（OFF）、後半の期間では、スイッチ103を閉じ（ON）、スイッチ102を開いている（OFF）。図１において、下から2行目を通電した場合の、行通電時間の前半の期間における通電経路を破線で示している。また、図４において、行通電時間の後半の期間における通電経路を破線で示している。図１、４に示すように、行通電時間の前半と後半では垂直方向の通電経路が逆転する。
【００２０】
図１に示すように、従来技術とは異なり、垂直信号線807において画素ダイオード801の陰極端から積分回路809までは電流が流れず、この部分の電圧降下は積分回路809に入力されない。電流源808の電流をIとし、下から2行目が通電された場合の、垂直方向の配線系における行通電時間の前半での電圧降下ΔV2Fは次式で示される。
ΔVv2F＝Rb・4I                    (7)
また、行通電時間の後半での電圧降下ΔV2Bは次式で示される。
ΔVv2B＝2Rb・4I                   (8)
【００２１】
積分回路809ではこの電圧降下に相当する電圧量が積分されるので、積分出力に現れる垂直配線系での電圧降下成分ΔVv2Tは次式となる。
ΔVv2T＝ΔVv2F＋ΔVv2B＝3Rb・4I              (9)
【００２２】
より一般的な場合としてM行×N列の画素アレイにて、下からm行目に通電した場合を検討する。この場合、行通電時間（積分時間）の前半での垂直系の配線での電圧降下ΔVmFは次式となる。
ΔVvmF＝(m-1)・Rb・NI                (10)
また、行通電時間（積分時間）の後半での垂直系の配線での電圧降下をΔVmBは次式となる。
ΔVvmB＝(M−m-1)・Rb・NI             (11)
故に、積分回路809の出力に現れる垂直配線系での電圧降下成分ΔVvmTは次式となる。
ΔVvmT＝ΔVvmF＋ΔVvmB＝(M-1)・Rb・NI            (12)
【００２３】
(12)式より、電圧降下成分ΔVvmTが、通電する画素行の位置mに依存しない値であることが分かる。すなわち、前述の(6)式の関係が満たされなくても垂直配線系での電圧降下の行間での分布（ばらつき）をゼロに削減できる。
【００２４】
以上の説明では、説明の便宜上、積分回路809が単なる合算機能を奏するとして説明したが、以下に、積分回路809の実際の機能を考慮してより詳細に説明する。
【００２５】
積分回路809は図２に示す構成を有する。電圧電流変換アンプ1001のトランスコンダクタンスをgm、積分容量1002の容量値をCi、リセット電圧をVR、行通電時間をTi、電圧電流変換アンプ1001の非反転入力端子電圧をV+、反転入力端子電圧をV-とすると、行通電時間終了後の積分容量電圧Vcは次式となる。
Vc＝VR＋gm・Ti・(V+−V-) / Ci              (13)
【００２６】
図８に示すように積分回路809（電圧電流変換アンプ1001）の反転入力端子に垂直信号線807が接続されている。電源電圧をVDD、水平駆動線802の1列目からn列目までの電圧降下をΔVhn、ダイオードの順方向電圧をVfとすると、電圧電流変換アンプ1001の、反転入力端子電圧V-は、行通電時間（積分時間）の前半では次式となる。
V-＝VDD−Vf−ΔVhn−ΔVvmF            (14)
行通電時間（積分時間）の後半では次式となる。
V-＝VDD−Vf−ΔVhn−ΔVvmB            (15)
【００２７】
よって、(13)、(14)、(15)式より、積分時間Tiを二分して反転入力端子電圧を切り替えることで、それらが加算されることがわかる。なお、特許文献1に記載のとおりΔVhnはバイアス線819の電位で模擬され積分回路出力には寄与しなくなる。
【００２８】
図５は、図１に示す回路構成においてスイッチ102、103及び電流源808の構成を具体的に示した図である。スイッチ102、103は、導通抵抗を低減させるために、並列接続されたNチャネルMOSトランジスタとPチャネルMOSトランジスタで構成している。電流源808は飽和領域で動作するNチャネルMOSトランジスタで形成される。電流源808を構成するトランジスタのゲートには端子401より、一定のバイアス電圧が与えられる。このバイアス電圧はトランジスタ808のドレイン電圧より低い電圧に設定され、これにより、トランジスタ808は飽和領域動作すなわち定電流動作となる。MOSトランジスタ102、103のゲートには端子402より図３に示した制御クロックが与えられる。スイッチ102、103を構成するPMOSトランジスタのゲートには、NチャネルMOSトランジスタのゲートに印加するクロックの反転クロックを与える必要があるため、インバータ403を設けている。なお、本実施形態では、スイッチ102と103は、赤外線固体撮像素子内に設けているが、当然のことながらこれらのスイッチ102と103を素子外に設けてもよい。
【００２９】
実施の形態２．
図６は、本発明の第２の実施形態による4×4画素の赤外線固体撮像素子の構成を示した図である。図６では、説明の便宜上、水平走査回路810、参照信号出力回路813、ローパスフィルタ816、818と、バッファ817、バイアス線819等の構成は省略し、要部のみを示している。また、積分回路809は単一入力構成としている。
【００３０】
図６に示す赤外線固体撮像素子の構成において実施の形態１の構成（図１参照）と異なる点は、垂直電源線804の両端に設けていた２つの電源端子101、805を、一つの電源端子805のみで構成した点である。このために垂直電源線804の上端からスイッチ103まで、垂直走査回路806の外側に外周電源線501を設けている。外周電源線501は垂直電源線804に比べて抵抗を充分小さく設定される。このようにすることで、図１に示す構成に対して、端子の数を１だけ減少できる。
【００３１】
実施の形態３．
以上の実施形態では、図３(e)、(f)に示すように、行通電時間（積分時間）を前半と後半に２分して通電経路を切り替えたが、両者が同一時間長であればよい。すなわち、行通電時間（積分時間）を２Ｎ（Ｎは自然数）等分し、通電経路を交互に切り替えるようにしてもよい。例えば、積分時間を4等分し、通電経路を交互に切り替えた場合のスイッチ102と103の開閉タイミング図を図７(e)、(f)に示す。本実施形態の構成においても、実施の形態１の場合と同様の効果が得られる。
【００３２】
さらに、以上の実施形態では、ダイオードの電圧電流特性の温度特性を利用した熱型赤外線固体撮像素子について説明した。しかし、ダイオードをスイッチ機能素子として扱い、画素アレイが、電流が流れる垂直信号線と水平駆動線で構成される固体撮像素子であれば、上記の実施形態の思想は適用可能である。例えば、ダイオードにボロメータを直列接続してボロメータの電圧電流特性の温度特性を利用した熱型赤外線固体撮像素子にも適用可能である。
【符号の説明】
【００３３】
101，805  電源端子、102，103  スイッチ、801  ダイオード、802  水平駆動線、803  スイッチ、804  垂直電源線、806  垂直走査回路、807  垂直信号線、808  電流源、809  積分回路。
【図１】
2010217009.tif 000003
【図２】
2010217009.tif 000004
【図３】
2010217009.tif 000005
【図４】
2010217009.tif 000006
【図５】
2010217009.tif 000007
【図６】
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【図７】
2010217009.tif 000009
【図８】
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【図９】
2010217009.tif 000011