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JP2017184017A - Imaging apparatus, infrared detection apparatus and correction method for dark current of infrared detector - Google Patents

Imaging apparatus, infrared detection apparatus and correction method for dark current of infrared detector Download PDF

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Abstract

【課題】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を提供する。【解決手段】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、受光素子に流れる暗電流の電流量を抵抗変化型メモリ素子に記憶可能であり、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、第1の信号と第2の信号との間の差分を求める差分回路とを含む。【選択図】図2Provided is an imaging device that stores a dark current in each pixel in a nonvolatile manner and corrects the dark current by a CDS. An image pickup apparatus includes a pixel array including a light receiving element for detecting infrared rays, which is provided for each pixel, and a bipolar resistance change type memory element provided for each pixel. The current amount of the current 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 are displayed. It includes a read circuit for outputting and a difference circuit for obtaining a difference between the first signal and the second signal. [Selection diagram] Figure 2

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 apparatus, an infrared detection apparatus, 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 corresponding to the intensity of incident infrared rays, the current is accumulated in a capacitor as a charge by a readout circuit, and the voltage corresponding to the accumulated charge is amplified by an amplifier. Output. Since the upper limit of the detector operating temperature is limited by the ratio of signal to noise (S / N ratio), quantum infrared detectors generally require cooling during operation. Typical noise includes dark current that flows through the light receiving element when the incident infrared ray is zero, shot noise that is a quantum fluctuation of the current, reset noise of the charge storage capacitor, fixed pattern noise of the CMOS that constitutes the readout circuit, There is random telegraph signal noise. By cooling the detector to a low temperature, particularly dark current and reset noise can be significantly reduced.

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-sized and high-power-consumption refrigerating machine is required, and the price is also expensive. In order to develop an infrared sensor system that includes a small-sized, low power consumption, and low-cost quantum infrared detector, noise generation should not be reduced by lowering the temperature, but generated noise should be removed by signal processing. Is preferred. As one of such noise removal methods, Correlated Double Sampling (CDS) effective for removing reset noise that increases rapidly at high temperatures is known. In the CDS, first, the charge storage capacitor is reset, and then a read voltage corresponding to the voltage of the charge storage capacitor including reset noise is held in the first capacitor. Thereafter, 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, it is possible to cancel the reset noise included in both voltages and detect the current of the light receiving element. Further, by taking the difference by CDS, it is possible to reduce the fixed pattern noise specific to each readout 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 increases rapidly. In order to correct the dark current, it is necessary to collect data obtained by measuring only the dark current for each pixel. In order to create a state in which only dark current flows to the light receiving element in the absence of infrared incidence, the pixel array of the light receiving element is blocked from the outside by a sufficiently cooled mechanical shutter.

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 dark current by CDS, and it is general to correct dark current after CDS. This is because it is not easy to store the dark current for each pixel in a non-volatile manner with a simple mechanism in the circuit in the previous stage of the CDS. This is because it is necessary to execute for each video frame. However, if a dark current is acquired every frame, a time equivalent to the integration time of the photocurrent is required for the measurement of the dark current, resulting in a decrease in operating speed. In addition, it is not easy to maintain such a high-speed mechanical shutter opening / closing operation for a long time without any problem, leading to a shortened life of the infrared detector due to a 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 correct the sensitivity and the non-linearity variation for each light receiving element, and when the dark current is corrected after the CDS, In addition to correction, these correction processes are performed. When the pixel array has a high resolution and the number of pixels is large, the correction data and correction calculation amount required for a series of correction processes increase when dark current correction is performed. As a result, the operation speed decreases and the system area decreases. Will lead to an increase.

特開平6−86174号公報JP-A-6-86174 特開2010−278143号公報JP 2010-278143 A 特開平6−334165号公報JP-A-6-334165 特開平11−39858号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-39858

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, an imaging device that stores dark current in a nonvolatile manner for each pixel and performs dark current correction by CDS is desired.

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 apparatus includes a pixel array including a light receiving element for detecting infrared rays provided for each pixel, and a bipolar resistance change memory element provided for each pixel, and a dark current flowing through the light receiving element. A first signal reflecting the amount of read current flowing through the resistance change memory and a second signal reflecting the amount of current flowing through the light receiving element. A readout circuit for outputting, and a difference circuit for obtaining a difference between the first signal and the second signal.

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 apparatus can store dark current in a nonvolatile manner for each pixel and perform dark current correction by CDS.

赤外線検出装置の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of an infrared rays detection apparatus. 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。It is a figure which shows an example of the voltage versus current characteristic which a bipolar type resistance change memory element shows. 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。It is a figure which shows the outline | summary of the correction process in the infrared rays detection apparatus shown in FIG. 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。It is a figure which shows an example of a structure of a pixel array and a readout circuit. 読み出し回路の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of a read-out circuit. 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。6 is a flowchart illustrating an example of operations of the infrared detection device illustrated in FIG. 1 and the circuit illustrated in FIG. 5. 抵抗変化型メモリ素子の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of a resistance change type memory element. 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。It is a figure for demonstrating the circuit structure in the case of producing | generating the electric current of the magnitude | size of an input electric current with a current mirror circuit. 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。It is a figure for demonstrating the circuit structure in the case of producing | generating the electric current of m magnitude | size of input current with a current mirror circuit.

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 illustrating an example of a configuration of an infrared detection device. 1 includes an optical system 11, an infrared detector 12, a correction signal processing unit 13, a display recording unit 14, a cooler 15, a control unit 16, and a control unit 17. The infrared detector 12 includes a shutter 21, a pixel array 22, a readout circuit 23, and a temperature sensor 24.

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 optical system 11 images incident light on the imaging surface. The pixel array 22 is provided on the imaging surface and captures an infrared image based on incident light. The shutter 21 is, for example, a mechanical shutter that can be opened and closed. The shutter 21 allows incident light to pass when opened, and blocks incident light when blocked. The pixel array 22 includes a plurality of light receiving elements that detect infrared rays arranged vertically and horizontally on a matrix. The light receiving element has a characteristic that an electric resistance value changes according to the intensity of incident light (incident infrared light). By applying a bias voltage to the light receiving element irradiated with incident light, an amount of current corresponding to the intensity of the incident light flows through the light receiving element. A plurality of light receiving elements are provided corresponding to a plurality of pixels on a one-to-one basis, and imaging data by each light receiving element is pixel data of each pixel.

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 readout circuit 23 includes a plurality of pixel readout circuits provided in a one-to-one correspondence with the plurality of light receiving elements, and a CDS circuit provided for each column of the pixel array 22, for example (see FIG. 5). The pixel readout circuit converts the current flowing through the light receiving element into a voltage, amplifies the voltage, and outputs the amplified voltage to the CDS circuit. The CDS circuit performs correlated double sampling on the output voltage from the readout circuit.

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 readout circuit 23 further includes a bipolar resistance change memory element provided for each pixel. That is, each pixel readout circuit includes one resistance change type memory element. The resistance change memory element includes a resistance change material, an upper metal electrode, and a lower metal electrode, and is arranged so that the resistance change material is sandwiched between the upper metal electrode and the lower metal electrode. In a bipolar resistance change memory element, transition metal oxides such as TaOx, HfOx, TiOx, WOx, CoOx, and MoOx, a laminate of these transition metal oxides, or the oxygen content of these transition metal oxides What was changed in the film is used as the resistance change material.

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 illustrating an example of voltage-current characteristics exhibited by the bipolar resistance change memory element. For the sake of explanation, a linear resistance is assumed. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the voltage applied to the resistance change memory element, and the vertical axis indicates the current flowing through the resistance change 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 equal to or higher than the first predetermined voltage value V1 is applied to the resistance change memory element in the high resistance state SH in the first direction, the resistance change memory element is indicated as a 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 memory element is set to a low resistance state SL having a resistance value (= V1 / I1) determined from 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 a voltage equal to or higher than the second predetermined voltage value V2 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. Transition from the resistance state SL to the high resistance state SH. The resistance change 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 memory element in the low resistance state SL does not transition to the high resistance state SH unless a voltage equal to or higher than the second predetermined voltage value V2 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。   As a reset state, a current of the amount of current flowing through the light receiving element when the shutter 21 is shut off is supplied to the resistance change memory element in the high resistance state SH in the first direction. At this time, the resistance of SH is set so that the voltage applied to the resistance change memory exceeds the first predetermined voltage V1. Thereby, the resistance change memory element can be changed to the low resistance state SL, and the dark current of the light receiving element can be stored in the resistance change memory element. Thereafter, when the first predetermined voltage V1 in the first direction is applied to the resistance change memory element in the low resistance state SL, the same amount of current as the stored dark current flows through the resistance change 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 readout circuit of the readout circuit 23 reflects the amount of read current (stored dark current) that flows through the resistance change memory and the amount of current (darkness) that flows through the light receiving element when the shutter 21 is opened. A second signal reflecting the sum of current and photocurrent is output. That is, the pixel readout circuit outputs a first signal including a dark current component and a second signal including a dark current component and a photocurrent component. Further, a difference between the first signal and the second signal is obtained by the CDS circuit of the reading circuit 23. More specifically, the CDS circuit may perform correlated double sampling on the first signal and the second signal. This makes it possible to remove the influence of dark current from the pixel signal.

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。   A signal of each pixel obtained by the correlated double sampling performed by the CDS circuit is supplied to the correction signal processing unit 13 as an output signal of the infrared detector 12. The correction signal processing unit 13 generates corrected imaging data by performing a process for correcting variations in sensitivity and nonlinearity for each light receiving element on the output signal of the infrared detector 12. The corrected imaging data output from the correction signal processing unit 13 is supplied to the display recording unit 14 and displayed as a captured image on the display unit of the display recording unit 14 or stored in the recording unit of the display recording unit 14. To do.

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 control unit 16 controls the optical system 11, the infrared detector 12, and the cooler 15. The controller 16 opens and closes the shutter 21 at a predetermined timing, thereby enabling dark current measurement and imaging data measurement by the pixel array 22 and the readout circuit 23. The controller 16 may operate to keep the temperature of the infrared detector 12 constant by controlling the operation of the cooler 15 based on the temperature detected by the temperature sensor 24. The control unit 16 controls the shutter 21, the pixel array 22, and the readout circuit 23 based on the temperature detected by the temperature sensor 24 to measure dark current and change to a resistance change type memory element when the temperature changes. May be operated to perform storage. The temperature sensor 24 detects the temperature of the infrared detector 12, more preferably the temperature of the pixel array 22.

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 the correction process in the infrared detecting device 10 shown in FIG. The CDS process 30 shown in FIG. 3 is executed by the CDS circuit of the read circuit 23. In order to correct the dark current by the CDS process 30, the amount of current flowing through the light receiving element when the shutter 21 is shut off is added to the bipolar resistance change memory element provided for each pixel of the infrared detector as described above. Is stored.

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 first signal 31 that is an input to the CDS processing 30 is a signal reflecting noise caused by the readout circuit 23 and dark current stored in the resistance change type memory element, that is, noise components and dark current components. It is a signal containing. Here, the noise caused by the readout circuit 23 includes reset noise and fixed pattern noise. The reset noise is noise generated when the voltage of the charge storage capacitor of the pixel readout circuit is reset, and more specifically, noise generated when the CMOS switch biased to the charge storage node is shut off. Charge injection, feedthrough, and switch thermal noise are the main causes of reset noise. The fixed pattern noise is a noise generated due to variations in characteristics of various circuit elements, and is a constant noise that does not change every reading operation by the reading circuit 23.

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 resetting the voltage of the charge storage capacitor, a read current flowing through the resistance change type memory is caused to flow through the charge storage capacitor, whereby the voltage between the terminals 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 from the pixel readout circuit of the readout circuit 23 as the first signal 31.

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 second signal 32 for the CDS process 30 is a signal reflecting noise caused by the readout circuit 23 and an imaging current (sum of dark current and photocurrent) flowing through the light receiving element during imaging, that is, a dark current component and light. A signal including a current component. After resetting the voltage of the charge storage capacitor, a current at the time of imaging flowing through the light receiving element (that is, a current flowing through the light receiving element when the shutter 21 is opened) is caused to flow through the charge storage capacitor. Vary the voltage between. A voltage corresponding to the inter-terminal voltage after the change is output from the pixel readout circuit of the readout circuit 23 as the second signal 32.

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 first signal 31 and the second signal 32 by the CDS process 30, it is possible to generate an output signal from which reset noise, fixed pattern noise, and dark current components are removed. That is, only the photocurrent component is included in this output signal. Thereafter, sensitivity and nonlinearity correction processing 33 is performed on the output signal. This sensitivity and nonlinearity correction processing 33 is executed by the correction signal processing unit 13 shown in FIG.

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 illustrating an example of the configuration of the pixel array and the readout circuit. The pixel array circuit 41 includes a plurality of light receiving elements 43 arranged on a matrix vertically and horizontally. One light receiving element 43 corresponds to one pixel. The pixel array circuit 41 corresponds to the pixel array 22 in FIG.

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 readout circuit array 42 and the CDS circuit 46 correspond to the readout circuit 23 in FIG. The pixel readout circuit array 42 includes a plurality of pixel readout circuits 44 arranged on a matrix vertically and horizontally. The plurality of pixel readout circuits 44 are provided in a one-to-one correspondence with the plurality of light receiving elements 43, and the corresponding pixel readout circuit 44 and the light receiving element 43 are electrically connected to each other by a bump 45, which is representative of only one. It is connected to the. The bump 45 is formed of two bumps per pixel in order to draw the upper and lower electrodes of the light receiving element 43 to the pixel readout circuit 44.

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。   A column of pixel readout circuits 44 arranged in the row direction (horizontal direction in the drawing) can be selected by asserting one of the plurality of row lines 48. The plurality of pixel readout circuits 44 in one selected row are electrically connected to the plurality of CDS circuits 46 on a one-to-one basis through a plurality of column lines 47 extending in the column direction (vertical direction in the drawing).

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 optical system 11 shown in FIG. 1 forms an image of incident infrared light on the surface where the plurality of light receiving elements 43 of the pixel array circuit 41 are arranged. A current corresponding to the intensity of incident light flows through each light receiving element 43, and the current is supplied to the pixel readout circuit 44. The pixel readout circuit 44 converts the current from the light receiving element 43 into a voltage for further amplification, and supplies the amplified voltage to the CDS circuit 46 via the column line 47.

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 illustrating an example of a configuration of the reading circuit. As described above, the readout circuit 23 includes a pixel readout circuit and a CDS circuit. The pixel readout circuit 44 corresponding to one pixel shown in FIG. 5 includes MOS transistors 52 to 63, a resistance change memory element 64, a charge storage capacitor 65, and switch circuits SW1 and SW2. Note that the light receiving element 43 connected to the MOS transistor 52 is not a part of the pixel readout circuit 44, but is included in the pixel readout circuit 44 among the plurality of light receiving elements 43 (see FIG. 4) included in the pixel array 22. One corresponding light receiving element. Connected to the pixel readout circuit 44 are PMOS transistors 72 and 73 and switch circuits SW3 and SW4, which are current mirror circuits for performing a write current to the resistance change memory element 64 and a read from the resistance change memory element 64. ing. The pixel readout circuit 44 is further connected with a write driver 71 for resetting the resistance change memory element 64 to a high resistance state.

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 pixel readout circuit 44 is supplied to the CDS circuit. In FIG. 5, the CDS circuit includes MOS transistors 82 and 83, capacitors 84 and 85, and a differential amplifier 86. The MOS transistor 81 is a load transistor and forms a source follower circuit for output amplification together with the MOS transistor 55.

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 control unit 16 shown in FIG. 1 controls the conduction and non-conduction states of the transistors and the conduction and non-conduction states of the switch circuits, whereby the dark current storage operation, the dark current read operation, and the imaging current detection in the pixel readout circuit 44. Perform the action. The amount of dark current flowing through the light receiving element 43 is stored in the resistance change memory element 64 by the dark current storing operation. By the dark current read operation, the charge storage capacitor 65 is discharged by causing the amount of read current flowing through the resistance change type memory element 64 to flow from the charge storage capacitor 65. Further, by the imaging current detection operation, a current flowing through the light receiving element 43 is supplied from the charge storage capacitor 65 to discharge the charge storage capacitor 65. Each operation will be described in more detail below.

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 charge storage capacitor 65 may be reset to the reset voltage by first turning off the MOS transistors 52 and 53 and turning on the MOS transistor 54. A node between the channel end of the MOS transistor 54 and the channel end of the MOS transistor 55 is set to a reset potential. Thereafter, the MOS transistor 54 is shut off. At this time, the above-described reset noise occurs, and the voltage stored in the charge storage capacitor 65 includes noise.

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 storing operation, first, the resistance change type memory element 64 is reset to a high resistance state. In order to execute this reset operation, the MOS transistors 59 and 62 are turned off, and the MOS transistors 61 and 63 are turned on. In this state, the write driver 71 side is set to a sufficiently high potential and connected to the ground potential via the MOS transistor 61, thereby resetting the resistance change memory element 64 to the high resistance state. Thereafter, in a state where the shutter 21 (see FIG. 1) is closed, the MOS transistors 52 and 53 are turned on and off, respectively, and a dark current is passed from the charge storage capacitor 65 through the light receiving element 43 and the MOS transistor 58.

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 set to a non-conductive state and a conductive state, respectively, as illustrated. The switch circuits SW3 and SW4 are set to a non-conductive state and a conductive state, respectively, as shown in the figure. Further, the MOS transistors 59, 60, and 62 are turned on, and the MOS transistors 61 and 63 are turned off. Due to the action of the current mirror circuit, the same amount of current as the dark current flowing through the MOS transistor 58 flows through the MOS transistor 57, and the same amount of current as the current flowing through the MOS transistor 57 flows through the resistance change type memory element 64. At this time, a sufficient voltage is applied to the resistance change memory element 64, and the resistance change memory element 64 is set to a low resistance state that stores the amount of dark current.

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 a conductive state and a non-conductive state, respectively, contrary to the illustrated state. The switch circuits SW3 and SW4 are set in a conductive state and a non-conductive state, respectively, contrary to the illustrated state. Further, the MOS transistors 59, 60, and 62 are turned on, and the MOS transistors 61 and 63 are turned off. Further, the MOS transistors 52 and 53 are turned off and on, respectively. In this state, the voltage applied to the resistance change memory element 64 is the same as that at the time of writing, and a read current having the same amount as the amount of dark current stored in the resistance change memory element 64 flows.

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 action of the current mirror circuit, the same amount of current as the read dark current flows through the MOS transistor 57, and the same amount of current as the current flowing through the MOS transistor 57 flows through the MOS transistor 58. As a result, the same amount of current as the dark current flows from the charge storage capacitor 65 through the MOS transistors 53 and 58, and the voltage value of the charge storage capacitor 65 shows a voltage change corresponding to the amount of dark current. By causing the current to flow for the same time as that during imaging, the voltage value of the charge storage capacitor 65 is set to a voltage value indicating the same voltage drop as the voltage drop due to the dark current during imaging.

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。   Thereafter, the row selection MOS transistor 56 is turned on, and the MOS transistors 81, 82, and 83 are turned on, turned on, and turned off, so that a voltage (amplified voltage) corresponding to the voltage of the charge storage capacitor 65 is obtained. It can be held in the capacitor 84.

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 set to a non-conductive state and a conductive state as illustrated. Also, all the MOS transistors 59, 60, 61 and 63 are kept in a non-conductive state. Also, the MOS transistors 52 and 53 are turned on and off, respectively. In this state, when the shutter 21 (see FIG. 1) is open, an imaging current (photocurrent + dark current) flows from the charge storage capacitor 65 via the light receiving element 43 and the MOS transistor 58. Thereby, the voltage value of the charge storage capacitor 65 shows a voltage change corresponding to the amount of the imaging current. By flowing a current for a predetermined time, the voltage value of the charge storage capacitor 65 is set to a voltage value indicating a voltage drop corresponding to the magnitude of the imaging current.

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。   Thereafter, the row selection MOS transistor 56 is turned on, and the MOS transistors 81, 82, and 83 are turned on, turned off, and turned on, so that a voltage (amplified voltage) corresponding to the voltage of the charge storage capacitor 65 is obtained. It can be held in the capacitor 85. The differential amplifier 86 outputs a voltage corresponding to the voltage difference between the voltage of the capacitor 84 and the voltage of the capacitor 85. The output voltage of the differential amplifier 86 becomes an image pickup pixel voltage from which the influence of the dark current is removed, that is, the dark current is corrected. The output voltage is an imaging pixel voltage from which the influence of fixed pattern noise and reset noise is removed.

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 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 for this random component. Can not. That is, if different reset operations are executed for the dark current reading operation and the imaging current detection operation, the reset noise cannot be completely cancelled. Considering this, for example, the charge storage capacitor 65 is a pair of capacitors, the same reset operation is executed for these two capacitors, and then the two capacitors are separated from each other, and the dark current is applied to each capacitor. A read operation and an imaging current detection operation may be executed. Thereafter, by taking the difference between the voltages (amplified voltages) corresponding to the voltages of these two capacitors, it is possible to cancel the same reset noise. However, in this case, different circuit elements (same specifications but physically different capacitors) are used, which may cause fixed pattern noise.

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。   As described above, by storing dark current data in a nonvolatile memory provided in the readout circuit, dark current can be removed by correlated double sampling in addition to reset noise and fixed pattern noise. . With this configuration, it is not necessary to carry out data correction by holding the dark current data outside, so that it is possible to reduce the size and weight of the apparatus and to achieve both high sensitivity and high speed operation.

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 dark current storage operation and dark current read operation, the number of transistors mounted on the read circuit 23 increases. However, the pixel area of the infrared detection device is determined by the wavelength of infrared rays, and even when it is small, the pixel area is about 10 μm × 10 μm to 20 μm × 20 μm. Therefore, an increase in the number of transistors hardly increases the area of the light receiving surface of the infrared detector.

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 flowchart showing an example of the operation of the infrared detection device shown in FIG. 1 and the circuit shown in FIG. Each step shown in FIG. 6 may be executed by appropriately using the shutter 21, the pixel array 22, the readout circuit 23, and the like by the control unit 16 shown in FIG.

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 turned on. In step S12, the control unit 16 uses the infrared detection device for the first time, there is a temperature change greater than a predetermined temperature difference compared to the temperature at the previous dark current storage, or since the last dark current storage. It is determined whether any of the conditions that the predetermined time or more has passed is satisfied. Regarding the temperature change, the control unit 16 stores the temperature detection value indicated by the temperature sensor 24 during dark current storage, and compares the temperature value indicated by the current temperature sensor 24 with the stored temperature detection value. The control unit 16 may make the determination.

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。   When any condition of step S12 is satisfied, the control unit 16 closes the shutter 21 in step S13. In step S <b> 14, the control unit 16 controls the readout circuit 23 to execute the dark current storage operation described above, and stores the dark current of the light receiving element 43 of each pixel in the resistance change type memory element 64 for each pixel. To do. At this time, since the voltage of the charge storage capacitor 65 is a voltage reflecting the dark current, an amplified voltage corresponding to the voltage of the charge storage capacitor 65 obtained by this dark current storage operation is applied to one of the CDS circuits. It may be held in a capacitor (eg, capacitor 84 in FIG. 5).

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 control unit 16 opens the shutter 21. Thereafter, in step S17, the control unit 16 performs the above-described imaging current detection operation, reflects the sum of the photocurrent and the dark current in the voltage of the charge storage capacitor 65, and applies the amplified voltage corresponding to the voltage to the other of the CDS circuit. (For example, the capacitor 85 in FIG. 5). In step S18, the control unit 16 performs correlated double sampling using the CDS circuit.

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 is satisfied, in step S16, the control unit 16 performs the dark current reading operation described above. That is, the control unit 16 reflects the dark current read from the resistance change type memory element 64 in the voltage of the charge storage capacitor 65, and applies the amplified voltage corresponding to the voltage to the other capacitor (for example, the capacitor 85 in FIG. 5). ). Thereafter, the imaging current detection operation in step S17 and the correlated double sampling operation in step S18 are executed.

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 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 timing of data output in step S19 may be changed as appropriate. If the memory for storing a series of video data is not provided, video data for each frame or video data for each row is sequentially output. What should I do?

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 control unit 16 performs the operation of storing the current amount of the dark current flowing in the light receiving element 43 in the resistance change type memory element 64 once in a plurality of video frames, for example, any condition of step S12 is satisfied. Sometimes run intermittently. In the case of a cooled quantum infrared detector, the operating temperature is ideally constant, and dark current data may be acquired at a fixed operating temperature before shipment. However, in actuality, the actual operating environment temperature slightly changes from moment to moment due to changes in the surrounding environment and aging of the refrigerator. In the infrared detection device 10 shown in FIG. 1 having the readout circuit 23 shown in FIG. 5, by using a resistance change type memory element that is a rewritable nonvolatile memory, it is possible to cope with changes in the external environment, changes in the cooler over time, etc. It is possible to respond flexibly.

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 a resistance change memory element. FIG. 7 is a diagram schematically showing a part of the semiconductor device on which the readout circuit 23 is mounted. A part of the semiconductor device illustrated in FIG. 7 includes a semiconductor substrate 101, a source region diffusion layer 102, a drain region diffusion layer 103, a gate electrode 104, and four layers of metal wirings M1 to M4. In the infrared detector 12 disclosed in the present application, the resistance change type memory element 64 is mounted by being mixed with the readout circuit 23. That is, the resistance change type memory element 64 is mounted so as to be embedded between the metal wiring layers of the read circuit 23.

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 a part of the read circuit 23 shown in FIG. 7, the resistance change memory element includes a resistance change material layer 105, an upper metal electrode 106, and a lower metal electrode 107. The upper metal electrode 106 is directly connected to the uppermost metal wiring M4, for example, and the lower metal electrode 107 is connected to the metal wiring M3 through the dedicated via 108, for example.

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 type memory element 64 is sufficiently smaller than the area of the light receiving element 43. Furthermore, as described above, the resistance change type memory element 64 is embedded in the metal wiring of the semiconductor device of the read circuit 23. be able to. Therefore, the pixel area of the infrared detector 12 is hardly increased by providing the resistance change type memory element 64 for each pixel.

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 a circuit configuration in the case where a current mirror circuit generates a current having a magnitude that is one time the input current. FIG. 8A shows a schematic plan view of a MOS transistor used in a current mirror circuit as viewed from above. The MOS transistor includes a source region diffusion layer 111, a drain region diffusion layer 112, and a gate electrode 110. The transistor width of this MOS transistor is assumed to be Tw.

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 illustrates an example of a configuration of a current mirror circuit that generates a current that is one-fold larger than the input current. The current mirror circuit shown in FIG. 8B includes MOS transistors 113 and 114 and a resistance change memory element 115. Each of MOS transistors 113 and 114 is the same size as the MOS transistor shown in FIG. 8A and has the same transistor width Tw. By passing a current amount stored in the resistance change type memory element 115 through the MOS transistor 113, the same amount of current as that current can be passed through the MOS transistor 114.

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 a current mirror circuit. FIG. 9A shows a schematic plan view of a MOS transistor used in a current mirror circuit as viewed 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 gate electrodes 120. By connecting the source region diffusion layers to each other and connecting the drain diffusion layers to each other, it is possible to realize a circuit configuration in which a plurality of MOS transistors having the same transistor width are connected in parallel. It is assumed that the transistor width of each of the plurality of MOS transistors connected in parallel is Tw.

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 configuration of a current mirror circuit that generates a current that is m times larger than the input current. The current mirror circuit shown in FIG. 9B includes MOS transistors 123 and 124 and a resistance change type memory element 125. The MOS transistor 123 is a transistor having the same size as the MOS transistor shown in FIG. 8A, for example, and has a transistor width Tw. The MOS transistor 124 is the MOS transistor shown in FIG. 9A, and a plurality of m MOS transistors having a transistor width Tw are connected in parallel. Therefore, the MOS transistor 124 effectively has a transistor width of mTw. By causing the current of the amount of current stored in the resistance change type memory element 125 to flow through the MOS transistor 123, a current that is m times the current can be passed through the MOS transistor 124.

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 readout circuit 23 shown in FIG. 5 described above, for example, the PMOS transistor 73 may be configured as shown in FIG. In the dark current storage operation, for example, by using only the extreme gate electrode of the gate electrode 120 shown in FIG. 9A, the transistor width of the PMOS transistor 73 is the same as the transistor width of the PMOS transistor 72. And On the other hand, in the dark current reading operation, the transistor width of the PMOS transistor 73 can be made m times the transistor width of the PMOS transistor 72 by using all the gate electrodes. As a result, the current mirror circuit generates a current that is a constant multiple of the read current flowing through the resistance change type memory element 64, and a voltage corresponding to the voltage across the terminals of the charge storage capacitor 65 that has been changed by this constant multiple current is generated. It is possible to output from the reading circuit 44. The PMOS transistors 72 and 73 are provided outside the pixel readout circuit 44 corresponding to each pixel of the pixel array 22, and the pixel area increases even if the configuration is switched as described above between storage and readout. There is no.

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。   As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the Example, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible within the range as described in a claim.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Infrared detector 11 Optical system 12 Infrared detector 13 Correction signal processing part 14 Display recording part 15 Cooler 16 Control part 17 Control part 21 Shutter 22 Pixel array 23 Reading circuit 24 Temperature sensor

Claims (9)

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。
A pixel array including a light receiving element for detecting infrared rays provided for each pixel;
A bipolar type resistance change memory element provided for each pixel, a current amount of dark current flowing through the light receiving element can be stored in the resistance change memory element, and readout flowing through the resistance change memory element A readout circuit that outputs a first signal reflecting the amount of current and a second signal reflecting the amount of current flowing through the light receiving element during imaging;
A difference circuit for determining a difference between the first signal and the second signal;
An imaging apparatus including:
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。   The readout circuit further includes a charge storage capacitor provided for each pixel, and between the terminals of the charge storage capacitor changed in accordance with a read current flowing through the resistance change type memory element after resetting the voltage of the charge storage capacitor. A voltage corresponding to a voltage is output as the first signal, and a voltage corresponding to a voltage between the terminals of the charge storage capacitor that has changed due to an imaging current flowing through the light receiving element after the voltage of the charge storage capacitor is reset, The imaging apparatus according to claim 1, wherein the imaging apparatus outputs the second signal. 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。   3. The correlated double sampling circuit according to claim 1, wherein the difference circuit is a correlated double sampling circuit that performs correlated double sampling on the first signal and the second signal sequentially output from the read circuit. Imaging device. 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。   The imaging device according to claim 1, wherein the resistance change type memory element is mixedly mounted in a wiring layer of the readout circuit. 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。   The control circuit further includes a control circuit that controls operations of the pixel array and the readout circuit, and the control circuit stores, in a plurality of video frames, an operation of storing the amount of dark current flowing in the light receiving element in the resistance change type memory element. 5. The imaging apparatus according to claim 1, wherein the readout device is intermittently executed once, and the readout circuit outputs the first signal and the second signal in each video frame. 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。   The read circuit applies a voltage in the first direction to the resistance change type memory element to increase the resistance, and then performs a second operation opposite to the first direction for the resistance change type memory element. 6. The imaging device according to claim 1, wherein a voltage is applied in a direction to reduce the resistance, whereby the amount of dark current flowing through the light receiving element is stored in the resistance change type memory element. 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。   The read circuit further includes a current mirror circuit that generates a current that is a constant multiple of a read current that flows through the resistance change type memory element, and a voltage that corresponds to a voltage across the charge storage capacitor that is changed by the constant multiple current. The imaging apparatus according to claim 2, wherein the image signal is output as the first signal. 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。
A cooler,
An optical system that images incident light on the imaging surface;
A shutter that blocks the incident light;
A pixel array provided on the imaging surface including a light receiving element for detecting infrared rays provided for each pixel;
A variable resistance memory element of a bipolar type provided for each pixel, 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 readout circuit that outputs a first signal reflecting the amount of read current flowing and a second signal reflecting the amount of current flowing through the light receiving element when the shutter is opened;
A difference circuit for determining a difference between the first signal and the second signal;
Infrared detector including.
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。
In the bipolar resistance change memory element provided for each pixel of the infrared detector capable of blocking incident light by the shutter, the amount of current flowing through the light receiving element when the shutter is blocked is stored,
After resetting the voltage of the charge storage capacitor, a voltage between the terminals of the charge storage capacitor is changed according to a read current flowing through the resistance change type memory element to generate a first voltage,
After resetting the voltage of the charge storage capacitor, a voltage between the terminals of the charge storage capacitor is changed by a current flowing through the light receiving element when the shutter is opened to generate a second voltage,
A method of correcting a dark current of an infrared detector, including each step of obtaining a difference between a voltage according to the first voltage and a voltage according to the second voltage.
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