IMAGE SENSOR NMOSリニアイメージセンサ S3902/S3903シリーズ 高い紫外感度、優れた出力直線性、低消費電力の電流出力型センサ NMOSリニアイメージセンサは、 マルチチャンネル分光光度計用の検出器として設計された自己走査型フォトダイオードアレイです。走査回 路は、 NチャンネルMOSトランジスタで構成され、 低消費電力駆動が可能なため、 取り扱いが容易です。各フォトダイオードの受光面積が大き く高い紫外感度をもつ上、 雑音がきわめて小さいので微弱な入射光に対してもS/Nの高い信号が得られます。 また、 優れた出力直線性、 広 いダイナミックレンジも電流出力型のNMOSリニアイメージセンサの特長です。 S3902シリーズは50 µm × 0.5 mm、 S3903シリーズは25 µm × 0.5 mmのフォトダイオードが直線的に並んでいます。画素数は、 128 (S3902128Q)、 256 (S3902-256Q, S3903-256Q)、 512 (S3902-512Q, S3903-512Q)、 1024 (S3903-1024Q) のそれぞれ3種類ずつがあります。受光 窓は、 石英を標準品としています。 特長 用途 l 広い受光面 l マルチチャンネル分光測光 l イメージリードアウトシステム 画素ピッチ: 50 µm (S3902シリーズ), 25 µm (S3903シリーズ) 画素高さ: 0.5 mm l フォトダイオードの紫外感度が高く、紫外線照射に対して 特性が安定している l 低暗電流、大飽和電荷量のため、常温で長い蓄積時間と広い ダイナミックレンジが得られる l 優れた出力直線性とユニフォミティ (感度の均一性) l 低消費電力: 1 mW max. l スタートパルス、クロックパルスは、CMOSロジック コンパチブル ■ 等価回路 ■ 受光部の構造 スタート st エンドオブスキャン 0.5 mm クロック 2 デジタルシフトレジスタ (MOSシフトレジスタ) アクティブビデオ アクティブ フォトダイオード Vss 飽和コントロール ゲート 飽和コントロール ドレイン b a ダミービデオ 1.0 µm クロック 1 酸化シリコン 1.0 µm N型シリコン 400 µm ダミーダイオード P型シリコン KMPDC0020JA ■ 絶対最大定格 項 目 入力パルス (φ1, φ2, φst) 電圧 消費電力*1 動作温度*2 保存温度 *1: Vφ=5.0 V *2: 結露なきこと S3902シリーズ: a=50 µm, b=45 µm S3903シリーズ: a=25 µm, b=20 µm KMPDA0107JA 記号 Vφ P Topr Tstg 定格値 15 1 -40 ～ +65 -40 ～ +85 単位 V mW °C °C 1 NMOSリニアイメージセンサ NMOS リニアイメージセンサ S3902/S3903シリーズ ■ 形状仕様 項 S3902-12 S3902-25 S3902-51 S3903-25 S3903-51 S3903-10 8Q 6Q 2Q 6Q 2Q 24Q 128 256 512 256 512 1024 31.75 40.6 31.75 40.6 22 22 石英 石英 3.0 3.5 3.0 3.5 目 画素数 パッケージ長 ピン数 窓材 質量 単位 mm g ■ 仕様 (Ta=25 °C) 項 目 画素ピッチ 画素高さ 感度波長範囲 (ピークの 10%) 最大感度波長 フォトダイオード暗電流*3 フォトダイオード容量*3 飽和露光量*3 *4 飽和出力電荷量*3 感度不均一性*5 記号 λ λp ID Cph Esat Qsat PRNU Min. - S3902 シリーズ Typ. Max. 50 0.5 200 ～ 1000 600 0.08 0.15 4 180 10 ±3 Min. - S3903 シリーズ Typ. Max. 25 0.5 200 ～ 1000 600 0.04 0.08 2 180 5 ±3 単位 µm mm nm nm pA pF mlx · s pC % *3: Vb=2.0 V, Vφ=5.0 V *4: 2856 K, タングステンランプ *5: 飽和の 50 %, スタート素子と最終素子を除く ■ 電気的特性 (Ta=25 °C) 項 目 記号 High Vφ1, Vφ2 (H) Low Vφ1, Vφ2 (L) High Vφs (H) スタートパルス (φst) 電圧 Low Vφs (L) ビデオバイアス電圧*6 Vb Vscg 飽和コントロールゲート電圧 飽和コントロールドレイン電圧 Vscd trφ1, trφ2 7 クロックパルス (φ1, φ2) 上昇／下降時間* tfφ1, tfφ2 クロックパルス (φ1, φ2) パルス幅 tpwφ1, tpwφ2 スタートパルス (φst) 上昇／下降時間 trφs, tfφs スタートパルス (φ1, φ2) パルス幅 tpwφs スタートパルス (φst) －クロック tφov パルス (φ2) 間オーバーラップ 7 クロックパルススペース* X1, X2 シフトレジスタ動作周波数*8 f クロックパルス (φ1, φ2) 電圧 条件 - S3902 シリーズ Min. Typ. Max. 4.5 5 10 0 0.4 4.5 10 Vφ1 0 0.4 1.5 Vφ - 3.0 Vφ - 2.5 0 Vb - S3903 シリーズ Min. Typ. Max. 4.5 5 10 0 0.4 4.5 10 Vφ1 0 0.4 1.5 Vφ - 3.0 Vφ - 2.5 0 Vb - 単位 V V V V V V V - - 20 - - 20 - ns - 200 200 20 - - 200 200 20 - - ns ns ns - 200 - - 200 - - ns trf - 20 trf - 20 ns 0.1 2000 0.1 2000 kHz 70 (-128 Q) 80 (-256 Q) ns 飽和の tvd ビデオ遅延時間 110 (-256 Q) 120 (-512 Q) ns 50%*8 *9 140 (-512 Q) 160 (-1024 Q) ns pF 21 (-128 Q) 27 (-256 Q) 5V クロックパルス (φ1, φ2) Cφ pF 36 (-256 Q) 50 (-512 Q) バイアス ライン容量 pF 67 (-512 Q) 100 (-1024 Q) 12 (-128 Q) 12 (-256 Q) pF 5V 飽和コントロールゲート (Vscg) Cscg 20 (-256 Q) 24 (-512 Q) pF バイアス ライン容量 35 (-512 Q) 45 (-1024 Q) pF pF 7 (-128 Q) 10 (-256 Q) 2V CV ビデオライン容量 pF 11 (-256 Q) 16 (-512 Q) バイアス pF 20 (-512 Q) 30 (-1024 Q) *6: Vφは入力パルス電圧 (「■ビデオバイアス電圧マージン」参照) *7: trf はクロックパルスの上昇／下降時間。クロックパルスの上昇／下降時間が 20 ns 以上かかる場合は (上昇／下降時間 - 20) ns 以上のクロックパルススペースを入れてください。(「■駆動回路のタイミング図」参照) *8: Vb=2.0 V, Vφ=5.0 V *9: C7883 駆動回路を用いて測定。 2 - NMOSリニアイメージセンサ リニアイメージセンサ S3902/S3903シリーズ ■ 外形寸法図 (単位: mm) 受光部 12.8 × 0.5 5.2 ± 0.2 6.4 ± 0.3 受光面 31.75 1.3 ± 0.2* 受光面 3.0 3.0 31.75 5.2 ± 0.2 5.2 ± 0.2 10.4 10.4 3.2 ± 0.3 1.3 ± 0.2* 受光部 6.4 × 0.5 S3902-256Q, S3903-512Q 5.2 ± 0.2 S3902-128Q, S3903-256Q 0.51 0.25 0.51 0.25 2.54 2.54 25.4 10.16 25.4 10.16 * 石英窓の表面から受光面 までの寸法 * 石英窓の表面から受光面 までの寸法 KMPDA0108JB KMPDA0109JB ■ ピン接続 S3902-512Q, S3903-1024Q 5.2 ± 0.2 受光部 25.6 × 0.5 5.2 ± 0.2 10.4 12.8 ± 0.3 1.3 ± 0.2* 受光面 3.0 40.6 0.51 0.25 2 1 22 NC 1 2 21 NC st 3 20 NC Vss 4 19 NC Vscg 5 18 NC NC 6 17 NC Vscd 7 16 NC Vss 8 15 NC アクティブビデオ 9 14 NC ダミービデオ 10 13 NC Vsub 11 12 エンドオブスキャン Vss, Vsub, NCは接地してください。 KMPDC0056JA 2.54 25.4 10.16 * 石英窓の表面から受光面 までの寸法 KMPDA0110JB 3 NMOSリニアイメージセンサ NMOS リニアイメージセンサ 端子名 入出力 φ1, φ2 入力 (CMOS ロジックコンパチブル) φst 入力 (CMOS ロジックコンパチブル) Vss - Vscg 入力 Vscd 入力 アクティブビデオ 出力 ダミービデオ 出力 Vsub 出力 (CMOS ロジックコンパチブル) エンドオブスキャン NC - ■ 分光感度特性 S3902/S3903シリーズ 機能、および推奨接続 MOS シフトレジスタを動作させるためのパルスです。ビデオ 出力信号は、φ2 立上りに同期して得られますので、クロック パルス周波数とビデオデータレートは同一になります。 MOS シフトレジスタの動作を開始させるためのパルスです。 スタートパルスの間隔と信号蓄積時間は同一となります。 フォトダイオードのアノードに接続されています。接地してく ださい。 ブルーミングの抑制に使用します。接地してください。 ブルーミングの抑制に使用します。ビデオバイアスと同一電圧 を印加してください。 ビデオ出力信号です。アドレスオンでフォトダイオード・カソ ードに接続されます。フォトダイオードを逆バイアスの状態で 使用するためにビデオラインを正にバイアスします。φ1, φ2 の 大きさが 5 V ならばビデオバイアスは 2 V を推奨します。 アクティブビデオと構造は同一ですが、フォトダイオードはあ りませんのでスパイクノイズのみが出力されます。アクティブ ビデオと同一電圧にバイアスしてください。必要としない場合 はオープンにしてください。 シリコン基板に接続されています。接地してください。 10 kΩの抵抗で 5 V にプルアップしてください。負極性。最後 のフォトダイオードがアドレスされた次のタイミングのφ2 に 同期して現れます。 接地してください。 ■ 出力電荷量－露光量 (Ta=25 ˚C) 0.3 (Typ. Vb=2 V, V =5 V, 光源: 2856 K) 102 出力電荷量 (pC) 受光感度 (A/W) 101 0.2 0.1 飽和電荷量 100 S3902シリーズ 10 –1 S3903シリーズ 10–2 0 200 400 600 800 1000 1200 –3 10–5 10–4 10–3 10–2 10–1 100 露光量 (lx · s) 波長 (nm) KMPDB0149JA ■ イメージセンサの構成 NMOSリニアイメージセンサは、シリコンの単一基板上に MOSトランジスタから成る走査回路と、 フォトダイオードア レイ、各フォトダイオードをアドレスするためのスイッチン グトランジスタアレイが集積化されたものです。 「■ 等価回 路」に回路構成を示します。 MOS走査回路は低消費電力型で、スタートパルスと2相の クロックパルスにより走査パルス列を発生し、各アドレスス イッチを順次オン状態にします。アドレススイッチは、フォ トダイオードをソース、ビデオラインをドレイン、走査パル ス入力部をゲートとするNMOSトランジスタにより構成され ています。 フォトダイオード部は、電荷蓄積モードで動作するため、 露光量 (光の強さ × 蓄積時間) に比例した出力が得られます。 おのおののセルは、アクティブフォトダイオードとダミー 4 10 飽和露光量 KMPDB0117JA ダイオードから成り、それぞれスイッチングトランジスタを 経てアクティブビデオラインとダミービデオラインに接続さ れています。また、おのおののアクティブフォトダイオード は、飽和コントロールゲートを経て飽和コントロールドレイ ンにも接続されているため、飽和コントロールゲートを接地 することにより、フォトダイオードのブルーミングが抑制さ れます。また、飽和コントロールゲートにパルス信号を加え ることにより、一斉リセットを行うことも可能です (補助機 能の項参照)。 「■ 受光部の構造」にフォトダイオード受光部の構造図を 示します。フォトダイオード部は、P 型基板とその上の N 型 拡散層から形成されています。信号電荷は、この PN 接合容 量に蓄積されます。N 型拡散層は紫外感度が高く、暗電流が 小さくなるように工夫されています。 NMOSリニアイメージセンサ リニアイメージセンサ ■ 駆動回路 S3902/S3903 シリーズの駆動には、DC 的な印加電圧は 必要ありません。ただし、Vss, Vsub およびすべての NC 端 子は接地してください。シフトレジスタの駆動には、スター トパルス φst および 2 相クロックパルス φ1, φ2 が必要です。 スタートパルスおよびクロックパルスの極性はともに正であ り、CMOS ロジックコンパチブルです。 2相クロックパルスφ1, φ2は完全に分離していても相補な 関係にあっても構いませんが、両パルスが同時にハイになる 時間がないようにしてください。 φ1, φ2 の上昇／下降時間が 20 ns 以上かかる場合は、 (上昇 ／下降時間- 20) ns以上のクロックパルススペース (■ 駆動回 路のタイミング図 , X1, X2) を入れるようにしてください。ま た、φ1, φ2 とも、最低 200 ns の保持が必要です。フォトダ イオードの信号はφ2の各立ち上がりで得られるため、クロッ クパルスの周波数とビデオデータレートは等しくなります。 ■ 駆動回路のタイミング図 1 2 V s (H) V s (L) V V V V スタートパルス φst の大きさは φ1, φ2 と同じであり、ハイ レベルでシフトレジスタが動作を始め、 信号読み出しを開始 するため、スタートパルスの間隔で信号蓄積時間が決められ ます。φst は、最低 200 ns の保持が必要で、φ2 と最低 200 ns オーバーラップしていなければなりません。さらに、シ フトレジスタを正常に動作開始させるためには、φst がハイ レベルの間に、φ2は1度だけハイレベルからローレベルに変 化しなければいけません。各パルスのタイミングを図 7 に示 します。 ■ エンドオブスキャン エンドオブスキャン (EOS) は、10 kΩの抵抗でEOS端子を 5 Vにプルアップすることにより、最後のフォトダイオードが アドレスされた次のタイミングの φ2 に同期して現れます。 ■ ビデオバイアス電圧マージン tpw s 10 tpw 1 1 (H) 1 (L) 2 (H) 2 (L) tpw 2 8 ビデオバイアス電圧 (V) st S3902/S3903シリーズ tvd アクティブビデオ出力 エンドオブスキャン tr s st tf s tr 1 tf 1 X. MA 6 推 4 ス ア イ バ 奨 ビデオバイアス範囲 2 1 X1 X2 tf 2 MIN. 2 0 t ov tr 2 4 5 6 7 8 9 10 クロックパルス振幅 (V) KMPDC0022JA ■ 信号読み出し回路 信号読み出し方式は、負荷抵抗による電流検出方式や、 チャージアンプによる電流積分方式などがあります。 しかし、 どのような信号読み出し方式を用いるにしても、NMOSリニ アイメージセンサのフォトダイオードのアノードは0 V (Vss) のため、必ずビデオラインには正のバイアスを与えなければ なりません。 「■ ビデオバイアス電圧マージン」にビデオバイ アスの電圧マージンを示します。クロックパルスの振幅が大 きい程ビデオバイアスを大きく設定でき、飽和電荷量を大き くすることができます。また、ビデオバイアスを小さくして クロックパルスの振幅を大きく設定すれば、ビデオ出力波形 の上昇／下降時間を短くすることができます。φ1, φ2, φst の 大きさが 5 V ならば、ビデオバイアスは 2 V を推奨します。 良い出力直線性を得るには、 電流積分方式が適しています。 電流積分方式では、各フォトダイオードがアドレスされる直 前に毎回積分容量を基準電圧レベルにリセットし、アドレス スイッチがオンすると信号電荷は積分容量に蓄積されます。 「■ 読み出し回路例」 、「■ タイミングチャート」に電流積分 回路およびそのパルスタイミングの一例を示します。安定し た出力を得るためには、リセットパルスの立上りをφ2の立下 りより少なくとも 50 ns 遅らせる必要があります。 KMPDB0043JA 以下の専用回路 (別売) を用意しています。 製品名 型 名 C7883 C7883G C7884 駆動回路 C7884G C7884-01 C7884G-01 パルス ジェネレータ C8225-01 ケーブル A8226 内 容 高速駆動回路 C7883 + C8225-01 高精度 駆動回路 C7884 + C8225-01 超高精度 駆動回路 C7884-01 + C8225-01 C7883/C7884 シリーズ C7883～ C7885 シリーズ 特 長 高速駆動が可能 単電源 (+15 V) 動作 小型 低雑音 優れた出力直線性 ボックス波形出力 超低雑音 優れた出力直線性 ボックス波形出力 BNC, 長さ 1 m 5 NMOSリニアイメージセンサ NMOS リニアイメージセンサ ■ 読み出し回路例 S3902/S3903シリーズ ■ タイミングチャート +5 V 10 kΩ st st EOS 1 1 ダミー ビデオ 2 2 EOS Vsub NC st OPEN 1, Reset 10 pF Vscg Vss 50 ns MIN. RESET アクティブ ビデオ – Vscd + 2 OP-AMP (JFET 入力) + KMPDC0024EA +2 V KMPDC0023JA 出力電圧Voutは 出力電荷量 (C) Vout (V) = 10 × 10-12 (F) で表されます。 ■ アンチブルーミング機能 部分的にでも飽和露光量以上の照射が行われる場合は、飽和電荷量を越えて信号電荷をフォトダイオードに蓄積させることは できないため、余分の電荷はビデオラインに溢れ出し信号の純度は劣化します。ビデオバイアスと同一の電圧を飽和コントロー ルドレインに与え、飽和コントロールゲートは接地することにより、余剰電荷は飽和コントロールドレインより排出されるため、 信号の純度の劣化を避けることができます。入射光の強度が極端に強い場合には、飽和コントロールゲートを正にバイアスしま す。飽和コントロールゲートに加えるバイアスが大きいほど過飽和電荷を制御する機能は高まりますが、飽和電荷量が低下する ため適切なバイアス値を選択することが肝要です。 ■ 補助機能 1) 一斉リセットとしての動作 通常の動作では、フォトダイオードに蓄積されている電荷は信号読み出しによってリセットされますが、S3902/S3903シリー ズは信号読み出し以外の経路でフォトダイオード電荷のリセットを行うことができます。これは、飽和コントロールゲートに適 切なパルスを加えることにより達成されます。パルス電圧は、φ1, φ2, φst と同一、パルス幅は 5 µs 以上としてください。 飽和コントロールゲートがハイレベルに設定されると、すべてのフォトダイオードは、飽和コントロールドレイン電位 (ビデ オバイアスと同一に設定します。 ) に一斉にリセットされます。逆に飽和コントロールゲートがローレベル (0 V) に設定される と、リセット機能は働かず、フォトダイオードでは信号電荷の蓄積が行われます。 2) ダミービデオ S3902/S3903シリーズは、ビデオ出力波形のスパイクノイズを除去するためのダミービデオラインを備えています。アクティ ブビデオラインとダミービデオラインの出力を差動増幅することにより、 低スパイクノイズのビデオ信号を得ることができます。 必要としない場合は無接続としてください。 ■ NMOSリニアイメージセンサ使用上の注意 1) 静電気対策 NMOSリニアイメージセンサには静電気に対する保護がなされていますが、静電気による破壊を未然に防ぐために静電気防 止対策を実施してください。 2) 入射窓 入射窓ガラスの表面にゴミや汚れが付着しますと画像に黒キズとして現れます。使用する際は、ガラス表面を清掃してくだ さい。清掃時に、乾いた布や綿棒などでこすりますと静電気発生の原因となりますから、アルコールなどの有機溶剤を小量含 ませた柔らかい布、紙、または綿棒などでゴミや汚れを拭き取り、シミが残らぬよう圧搾気体を吹き付けてください。 6 NMOSリニアイメージセンサ リニアイメージセンサ S3902/S3903シリーズ 本資料の記載内容は、平成22年10月現在のものです。製品の仕様は、改良等のため予告なく変更することがあります。製品を使用する際には、仕様書をご用命の上、 最新の内容をご確認ください。 仕様書およびサンプル提供の際、型名の末尾に暫定仕様を意味する(X)、開発仕様を意味する(Z)が付く場合があります。 本製品の保証は、納入後 1年以内に瑕疵が発見され、 かつ弊社に通知された場合、本製品の修理または代品の納入を限度とします。ただし、保証期間内であっても、 天災および不適切な使用に起因する損害については、弊社はその責を負いません。 本資料の記載内容について、弊社の許諾なしに転載または複製することを禁じます。 仙台営業所 筑波営業所 東京営業所 中部営業所 大阪営業所 〒980-0011 〒300-2635 〒105-0001 〒430-8587 〒541-0052 仙台市青葉区上杉1-6-11 (日本生命仙台勾当台ビル2階) 茨城県つくば市東光台5-9-2 東京都港区虎ノ門3-8-21 (虎ノ門33森ビル5階) 浜松市中区砂山町325-6 (日本生命浜松駅前ビル4階) 大阪市中央区安土町2-3-13 (大阪国際ビル10階) TEL (022) 267-0121 TEL (029) 847-3821 TEL (03) 3436-0491 TEL (053) 459-1112 TEL (06) 6271-0441 FAX (022) 267-0135 FAX (029) 847-8654 FAX (03) 3433-6997 FAX (053) 459-1114 FAX (06) 6271-0450 固体営業推進部 〒435-8558 浜松市東区市野町1126-1 TEL (053) 434-3311 FAX (053) 434-5184 Cat. No. KMPD1043J02 jp.hamamatsu.com Oct. 2010 DN 7