(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
前記読み出し回路は、各画素毎に設けられた電荷蓄積キャパシタを更に含み、前記電荷蓄積キャパシタの電圧のリセット後に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した前記電荷蓄積キャパシタの端子間電圧に応じた電圧を前記第１の信号として出力し、前記電荷蓄積キャパシタの電圧のリセット後に前記受光素子に流れる撮像時の電流により変化した前記電荷蓄積キャパシタの端子間電圧に応じた電圧を、前記第２の信号として出力する請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
前記差分回路は、前記読み出した回路から順次出力される前記第１の信号と前記第２の信号とに対して相関二重サンプリングを実行する相関二重サンプリング回路である請求項１又は２記載の撮像装置。
【請求項４】
前記抵抗変化型メモリ素子は前記読み出し回路の配線層中に混載されている請求項１乃至３いずれか一項記載の撮像装置。
【請求項５】
前記画素アレイ及び前記読み出し回路の動作を制御する制御回路を更に含み、前記制御回路は、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させる動作を複数のビデオフレームに一度間欠的に実行させ、前記読み出し回路は前記第１の信号と前記第２の信号とを各ビデオフレームにおいて出力する請求項１乃至４いずれか一項記載の撮像装置。
【請求項６】
前記読み出し回路は、前記抵抗変化型メモリ素子に対して第１の方向に電圧を印加して高抵抗化した後に、前記抵抗変化型メモリ素子に対して前記第１の方向とは逆の第２の方向に電圧を印加して低抵抗化することにより、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させる請求項１乃至５いずれか一項記載の撮像装置。
【請求項７】
前記読み出し回路は、前記抵抗変化型メモリ素子に流れる読み出し電流の定数倍の電流を生成するカレントミラー回路を更に含み、前記定数倍の電流により変化した前記電荷蓄積キャパシタの端子間電圧に応じた電圧を前記第１の信号として出力する請求項２記載の撮像装置。
【請求項８】
冷却器と、
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。
【請求項９】
シャッタにより入射光を遮断可能な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、シャッタの遮断時に受光素子に流れる電流量を記憶させ、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−８６１７４号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７８１４３号公報
【特許文献３】特開平６−３３４１６５号公報
【特許文献４】特開平１１−３９８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】赤外線検出装置の構成の一例を示す図である。
【図２】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。
【図３】図１に示す赤外線検出装置における補正処理の概要を示す図である。
【図４】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。
【図５】読み出し回路の構成の一例を示す図である。
【図６】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７】抵抗変化型メモリ素子の構成の一例を示す図である。
【図８】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９】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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【符号の説明】
【００６３】
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
【図１】
0006701881.tif 000002
【図２】
0006701881.tif 000003
【図３】
0006701881.tif 000004
【図４】
0006701881.tif 000005
【図５】
0006701881.tif 000006
【図６】
0006701881.tif 000007
【図７】
0006701881.tif 000008
【図８】
0006701881.tif 000009
【図９】
0006701881.tif 000010